1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Dựa vào tài liệu đã được học và một số tài liệu từ bên ngoài liên quan đến điện tử cơ bản, đề tài nghiên cứu một cách tổng quan nhất về các
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Điện trở và cầu phân áp sử dụng điện trở
2.1.1.1 Khái niệm của điện trở Điện trở là một linh kiện điện tử có hai tiếp điểm được kết nối một cách thụ động, dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu của mạch điện, đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện trong mạch Điện trở dùng để chia điện áp hoặc kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor
2.1.1.2 Ký hiệu và cấu tạo của điện trở
Hình 2.1 Ký hiệu của điện trở
Ký hiệu điện trở là R Được đo bằng đơn vị Ohm
Hình 2.2 Cấu tạo của điện trở Điện trở có cấu tạo từ hỗn hợp carbon, một số loại làm bằng gốm hoặc sợi thủy tinh và được tráng men thủy tinh hoặc xi măng Nó sẽ được gắn trong một lớp vỏ nhôm có thể kẹp vào bộ tản nhiệt Ngoài ra còn một số loại được làm bằng từ miếng kim loại, miếng
2.1.1.3 Phân loại điện trở Điện trở được chia làm hai loại:
- Điện trở theo công suất: điện trở thường, điện trở công suất, điệnt trở sứ, điện trở nhiệt,…
- Điển trở theo chất liệu, cấu tạo: điện trở cacbon, điện trở dây quấn, điện trở bề mặt…
2.1.1.4 Nguyên lý hoạt động Điện trở đặc trưng cho tính chất giảm lượng dòng điện chảy qua trong mạch Theo định luật Ohm: điện áp tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và được tính theo công thức: U=I.R
2.1.1.5 Ứng dụng Được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử đặc biệt trong kỹ thuật điện tử ô tô người ta thường sử dụng điện trở than
2.1.2 Mạch cầu phân áp sử dụng điện trở
2.1.2.1 Khái niệm cầu phân áp điện trở
Cầu phân áp điện trở là mạch biến điện áp lớn từ nguồn Vcc thành điện áp nhỏ hơn
Là mạch đơn giản mà không cần phải sử dụng transitor hay mosfet
Công thức tính mạch phân áp như sau:
Dòng điện và điện áp đầu ra trong mạch: 𝐼 = 𝑉 𝐶𝐶
2.1.2.2 Sơ đồ mạch điện cầu phân áp sử dụng điện trở
Hình 2.3 Sơ đồ mạch phân áp điện trở
2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động cầu phân áp sử dụng điện trở
Cầu phân áp sử dụng điện áp đầu vào, mắc nối tiếp 2 hay nhiều điện trở để hạ điện áp mong muốn theo cách tính toán riêng biệt
2.1.2.4 Ứng dụng Được ứng dụng nhiều làm công tắc điều chỉnh tốc độ quạt trần, xe hơi hay xe điện,…Ngoài ra các mạch ổn áp cũng thường sử dụng cầu phân áp điện trở.
Nhiệt điện trở và cầu phân áp sử dụng nhiệt điện trở
2.2.1.1 Khái niệm và cấu tạo nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở là một thiết bị có điện trở phụ thuộc và chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên ngoài, tuy vậy nó vẫn có khả năng cản trở dòng điện trong mạch; ta thường gọi nó là một nhiệt kế điện trở
2.2.1.2 Ký hiệu và cấu tạo của nhiệt điện trở
Hình 2.4 Ký hiệu nhiệt điện trở dương và âm
Nhiệt điện trở có cấu tạo từ oxit kim loại được đúc thành hình hạt, đĩa hoặc hình trụ và sau đó được bao bọc bằng epoxy hoặc thủy tinh
2.2.1.3 Phân loại nhiệt điện trở
Nhiệt điện trở được chia ra làm 2 loại: Điện trở nhiệt PTC hay còn gọi là nhiệt điện trở dương, khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng Điện trở nhiệt NTC hay còn gọi là điện trở nhiệt âm, khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm
2.2.1.4 Nguyên lý hoạt động của nhiệt điện trở
Khi ta đặt một nhiệt điện trở vào trong môi trường có nhiệt độ khác nhau sẽ làm tăng hoặc giảm giá trị điện trở bên trong và ta cũng có thể dựa vào giá trị điện trở của nó để suy ra được nhiệt độ môi trường bên ngoài
Nhiệt điện trở có phạm vi đo trong khoảng âm 50 đến 150 độ C Khi nhiệt độ bên ngoài vượt quá giá trị mà nhà cung cấp đưa ra sẽ làm hỏng thiết bị
Nhiệt điện trở thường được sử dụng trong kỹ thuật ô tô để đo nhiệt độ dầu, chất làm mát trong động cơ
2.2.2 Cầu phân áp sử dụng nhiệt điện trở
2.2.2.1 Khái niệm cầu phân áp nhiệt điện trở
Cầu phân áp sử dụng nhiệt điện trở là mạch biến điện áp lớn từ nguồn 𝑉 𝐶𝐶 thành điện
6 áp nhỏ hơn bằng cách tăng hoặc giảm nhiệt độ
2.2.2.2 Sơ đồ mạch điện cầu phân áp sử dụng nhiệt điện trở
Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện cầu phân áp nhiệt điện trở
Mạch cầu phân áp nhiệt điện trở sử dụng điện áp đầu vào, mắc nối tiếp một điện trở và một điện trở nhiệt để hạ điện áp mong muốn theo cách tính toán riêng biệt
Thường được sử dụng trong các cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
Quang trở và cầu phân áp sử dụng quang trở
Quang trở còn được gọi là điện trở quang là linh kiện điện tử nhạy cảm với ánh sáng, có điện trở phụ thuộc ánh sáng chiếu vào Giá trị điện trở của nó giảm khi mức độ ánh sáng tăng lên và ngược lại Nó còn được gọi là điện trở phụ thuộc vào ánh sáng, viết tắt là LDR (Light Dependent Resistor)
2.3.1.2 Ký hiệu và cấu tạo
Hình 2.6 Ký hiệu của quang trở
Hình 2.7 Ký hiệu của quang trở
Quang trở được cấu tạo từ vật liệu nhạy cảm với ánh sáng, bên trên được phủ một lớp cách điện với hai chân kim loại có thể dễ dàng thay đổi giá trị khi được chiếu sáng
Quang trở được phân loại thành hai loại dựa trên vật liệu được sử dụng để chế tạo ra chúng Có hai loại quang trở: quang trở thuần khiết và quang trở tạp chất
2.3.1.4 Nguyên lý hoạt động của quang trở
Khi cường độ ánh sáng tăng thì số electron tự do bên trong cũng tăng lên, độ dẫn điện của vật liệu quang dẫn tăng và giảm điện trở suất của vật liệu
2.3.1.5 Ứng dụng của quang trở
Quang trở thường được dùng làm cảm biến ánh sáng, mạch cảnh báo trộm…
2.3.2 Cầu phân áp sử dụng quang trở
2.3.2.1 Khái niệm cầu phân áp sử dụng quang trở
Cầu phân áp sử dụng nhiệt điện trở là mạch biến điện áp lớn từ nguồn Vcc thành điện áp nhỏ hơn bằng cách thay đổi ánh sáng bên ngoài chiếu vào quang trở
2.3.2.2 Sơ đồ mạch điện cầu phân áp sử dụng quang trở
Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện cầu phân áp sử dụng quang trở
2.3.2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu phân áp sử dụng quang trở
Tương tự như mạch cầu phân áp điện trở, mạch cầu phân áp nhiệt quang trở sử dụng điện áp đầu vào, mắc nối tiếp một điện trở và một quang trở để hạ điện áp mong muốn theo
9 cách tính toán riêng biệt
2.3.2.4 Ứng dụng của mạch cầu phân áp sử dụng quang trở
Quang điện trở được ứng dụng khá nhiều trong cách mạch tự động đóng cắt đèn, trong camera chống trộm hay các thiết bị báo động…
Biến trở
2.4.1 Khái niệm của biến trở
Biến trở là một loại điện trở có thể thay đổi được giá trị hay trị số, mục đích để thay đổi cường độ dòng điện trong mạch một cách tùy ý
2.4.2 Ký hiệu và cấu tạo của biến trở
Hình 2.9 Ký hiệu của biến trở
Biến trở được cấu tạo từ ba bộ phận chính:
- Một con chạy hay chân chạy Nó có thể chạy dọc cuộn dây và làm thay đổi giá trị của trở kháng
- Cuộn dây: được làm từ hợp kim, điện trở suất của nó lớn
- Chân ngõ ra: Gồm có 3 chân hay là 3 cực Các cực đều được làm hoàn toàn bằng kim loại
Biến trở được chia làm bốn nhóm: biến trở con chạy, biến trở tay quay, biến trở than và biến trở dây cuốn
2.4.4 Nguyên lý hoạt động của biến trở
Biến trở thường có ba cực, hai cực cố định ở một đầu điện trở và một cực di động gọi là cần gạt Vị trí của cần gạt trên dải điện trở quyết định giá trị của biến trở Biến trở thường được kết nối trực tiếp với các linh kiện điện tử khác trong mạch.
Nguyên lý hoạt động của biến trở chủ yếu là dựa trên các dây dẫn được tách rời với
Biến trở có nhiều loại với nhiều độ dài dây dẫn khác nhau Thiết bị này có núm vặn hoặc vi mạch điều khiển giúp thay đổi chiều dài dây dẫn trong mạch kín, từ đó điều chỉnh điện trở theo ý muốn người sử dụng.
2.4.5 Sơ đồ mạch điện của biến trở
Hình 2.10 Sơ đồ mạch biến trở
2.4.6 Ứng dụng Điều chỉnh độ sáng của đèn chiếu sáng: Biến trở cho phép người dùng có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm độ sáng theo ý muốn
Tăng giảm âm lượng của loa: Biến trở điều chỉnh tăng giảm âm lượng của loa trong các mạch âm thanh Điều khiển tốc độ động cơ: Biến trở cho phép người dùng điều chỉnh tốc độ của động cơ phù hợp với yêu cầu của công việc Điều chỉnh nhiệt độ trong các thiết bị điện tử: Biến trở để điều chỉnh nhiệt độ của các thiết bị điện tử, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn Ứng dụng trong mạch khuếch đại tín hiệu như opamp hay trong mạch lọc tín hiệu để tạo ra các mạch lọc tần số thấp hoặc cao Ứng dụng trong các thiết bị đo: Biến trở được sử dụng trong các thiết bị đo để điều chỉnh giá trị đo, với độ chính xác và tin cậy cao
Diode
Hình 2.11 Diode chỉnh lưu thường
Diode thường là diode chỉ cho phép dòng điện đi theo một hướng duy nhất từ phía P sang N mà không chạy ngược lại từ N sang P
Diode chỉnh lưu thường có khả năng chịu được tải lớn chúng ta biết được dựa trên thông số của nhà sản xuất và có áp ngược chịu đựng được dưới 1000V
2.5.1.2 Ký hiệu và cấu tạo của Diode chỉnh lưu thường
Hình 2.1 Ký hiệu của Diode
Hình 2.13 Cấu tạo của Diode Hình 2.12 Ký hiệu của Diode
Diode thường được chế tạo các nguyên tố để dễ dàng tạo ra hai lớp bán dẫn loại P và loại N được tiếp xúc với nhau Một cực của diode đấu với lớp P được gọi là Anode (A), cực còn lại đấu với lớp N được gọi là Cathode (K)
Tại bề mặt tiếp xúc của hai tiếp điểm P-N, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N di chuyển sang vùng bán dẫn P kết hợp vào các lỗ trống tạo thành một lớp ion không mang điện Lớp ion này tạo thành ranh giới cách điện giữa hai chất bán dẫn được gọi là miền bão hòa
2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động của diode
Khi ta đặt một điện áp bên ngoài tối thiểu 0.6V vào diode, ở cực anode được kết nối với nguồn (+) và cực cathode được kết nối với nguồn (-) Tại đây, lỗ trống có mật độ dày lên tại lớp bán dẫn loại P và tại lớp bán dẫn N mật độ electron sẽ nhiều lên Sau đó làm vùng nghèo giữa 2 lớp bán dẫn co lại và dần mất đi Kết quả là sẽ có một dòng electron chạy qua diode một cách trơn tru Điện thế ngưỡng là ngưỡng electron có thể dễ dàng đi qua Khi điện thế nhỏ hơn điện thế ngưỡng, cường độ dòng điện sẽ tăng tỉ lệ thuận với điện áp Khi điện thế lớn hơn điện thế ngưỡng thì cường độ dòng điện sẽ không tăng nữa do toàn bộ lớp tiếp giáp gần như không còn
Hình 2.14 Diode phân cực và Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode
Hình 2.15 Diode phân cực ngược
Khi ta cấp (+) vào cathode và (-) vào anode
Khi đảo chiều nguồn điện, cực dương kết nối cathode, cực âm kết nối anode, lỗ trống sẽ dịch chuyển về cực âm, electron về cực dương Vùng nghèo mở rộng, cản trở dòng điện lưu thông.
Hình 2.16 Diode phân cực thuận
Hình 2.17 Diode phân cực ngược
2.5.1.5 Ứng dụng về diode chỉnh lưu thường
Các diode thường được sử dụng trong các mạch giảm áp, chỉnh lưu dòng điện xoay chiều hay mạch tránh cắm nhầm cực âm dương
Diode Zener còn được gọi là diode ổn áp, là linh kiện bán dẫn silicon có thể hoạt động ở vùng phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng Điện áp này còn được gọi là điện áp Zener Điện áp đánh thủng của diode Zener được nhà sản xuất quy định chính xác, khi đạt điện áp này, diode bắt đầu cho dòng điện chạy qua ở chế độ phân cực ngược mà không làm hỏng thiết bị.
Diode zener là phần tử rất quan trọng của các mạch điều chỉnh điện áp và các mạch lưu điện áp cố định trên dòng tải mặc dù có sự thay đổi lớn về điện áp cấp và điện trở tải
2.5.2.2 Ký hiệu của Diode Zenner
Hình 2.18 Ký hiệu Diode Zenner
2.5.2.3 Cấu tạo của Diode Zenner
Diode zener có cấu tạo như diode thông thường, tuy nhiên khu vực pha tuyến giữa hai lớp P và N được thiết kế thêm lớp 𝑆𝑖𝑂 2 để có khả năng phá vỡ ngược
Hình 2.19 Cấu tạo của Diode Zener
2.5.2.4 Nguyên lý hoạt động của Diode Zenner
Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động của Diode Zener Ở trường hợp mạch phân cực thuận điện áp zener thay đổi từ 0,3 đến 0,7V
Thế nhưng, khi ở trường hợp mạch đảo ngược thì dòng rò nhỏ chạy qua Và khi điện áp ngược tăng lên đến điện áp đánh thủng được xác định trước (Vz), dòng điện bắt đầu chạy qua diode Dòng điện tăng ở mức tối đa sẽ được xác định bởi điện trở nối tiếp Sau đó, nó ổn định và không đổi trong phạm vị rộng của điện áp ứng dụng
Hình 2.21 Sơ đồ mạch điện Diode Zener
Hình 2.22 Đường đặc tuyến I-V của Diode Zener
Thiết lập công thức tính toán trong mạch diode zener:
Dòng điện đi qua điện trở 𝑅 𝑠 : 𝐼 𝑆 = 𝐼 𝐿 + 𝐼 𝑍 = 𝐼 𝐿𝑚𝑎𝑥 + 𝐼 𝑍𝑘
Hình 2.23 Đường đặc tuyến của diode zener
2.5.2.6 Ứng dụng của Diode Zenner
Diode zener được sử dụng trong bộ điều chỉnh điện áp, mạch điều chỉnh quá áp hay trong các mạch cắt sóng AC…
Led diode hay còn gọi là diode phát sáng là một diode liên kết p-n cũng giống như diode thường Nó phát sáng khi một dòng điện đi qua theo một chiều thuận, chúng có thể phát sáng với các màu khác nhau như đỏ, vàng và xanh lục
2.5.3.2 Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của led diode
Có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống như Diode chỉnh lưu thường
Led diode có ký hiệu như sau:
Hình 2.24 Ký hiệu led diode
Hình 2.25 Sơ đồ mạch Diode phân cực thuận
2.5.3.4 Ứng dụng của Led Diode
Led Diode được ứng dụng trong một số lĩnh vực như bộ phận hiển thị điện tử, thiết bị điện trên ô tô, các loại đèn trang trí, đèn quảng cáo, đèn giao thông Ưu điểm của nó rất
19 gọn nhẹ, bền và tiết kiệm năng lượng
Diode quang hay photodiode là một loại diode bán dẫn biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện
2.5.4.2 Cấu tạo và ký hiệu
Hình 2.26 Cấu tạo của Diode quang
Mối nối P-N được đặt trong vật liệu làm từ thủy tinh giúp ánh sáng truyền qua một cách dễ dàng Vì chỉ có phần tiếp giáp tiếp xúc với ánh sáng do dó các phần khác của vật liệu được sơn màu đen hoặc được mạ kim loại Cường độ dòng điện của nó có đơn vị là micro ampe và được đo bằng ampe kế
2.5.4.3 Nguyên lý hoạt động của Diode quang
Hình 2.28 Nguyên lý hoạt động của Diode quang
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của photodiode là khi được chiếu sáng vào mối nối P-
Khi một điốt chỉnh lưu ở trạng thái bình thường, các điện tử chuyển động từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P, tạo ra dòng điện Ngược lại, khi điện áp âm được cấp vào cực P và điện áp dương vào cực N, các điện tử và lỗ trống sẽ di chuyển ngược chiều nhau, dẫn đến việc giảm số lượng các hạt mang điện ở vùng nghèo và ngăn dòng điện chạy qua điốt.
Hình 2.29 Diode quang khi được chiếu sáng Ở trạng thái được chiếu sáng và phân cực ngược thì các electron và lỗ trống sẽ tách khỏi nhau ra, electron sẽ di chuyển về phía dương nguồn và lỗ trống sẽ được hút về phía âm nguồn, khi đó vùng nghèo sẽ giảm đi và làm cho dòng điện chạy qua
Cường độ ánh sáng chiếu vào sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện trong mạch
2.5.4.4 Ứng dụng của Diode quang
Hiện nay điốt thường được sử dụng trong các lĩnh vực điện tử, thiết bị đo đạc, truyền thông, giám sát, điều khiển như là: sử dụng để làm mắt thu hồng ngoại, trong remote; nó dùng trong hệ thống cảnh báo trộm.
Transistor
2.6.1.1 Khái niệm về Transistor lưỡng cực
- Transistor lưỡng cực còn được gọi là BJT (Bipolar Junction Transistor) Là loại linh kiện điện tử được cấu tạo dựa trên tiếp giáp P-N
- Có hai loại là transistor NPN và PNP
Transistor có mũi tên hướng vào chân E là loại NPN và loại PNP mũi tên hướng ra chân
2.6.1.3 Cấu trúc của transistor lưỡng cực
Hình 2.31 Cấu trúc của BJT
Bên trong BJT có 3 khối bán dẫn là base (cực gốc), collector (cực thu) và emitter (cực phát):
Cực gốc là phần giữa của transistor, có kích thước mỏng và nhẹ, tạo nên hai mạch chính: mạch đầu vào với cực phát có trở kháng thấp và mạch đầu ra với cực thu có trở kháng cao Nhờ sự phân chia trở kháng này, cực gốc đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển cường độ dòng điện chạy qua transistor, giúp tăng hiệu suất và độ linh hoạt của mạch điện tử.
- Collector (cực thu): là cực thu lượng lớn các phần tử mang điện được cấp bởi cực phát Kích thước của nó lớn hơn so với các hai cực còn lại vì thế nên nó mới có thể thu được nhiều các phần tử từ cực phát
- Emitter (cực phát): chịu trách nhiệm cung cấp một lượng lớn phần tử mang điện tích đến cực gốc Đoạn nối giữa cực phát và cực gốc là khu vực truyền dẫn tạo điều kiện cung cấp một lượng lớn các phần tử mang điện tích vào cực gốc Cực phát chủ yếu được dùng để cung cấp một lượng lớn điện tích vào mạch
BJT có 3 chế độ hoạt động là:
+ Chế độ CB hay Common base
+ Chế độ CE hay Common emitter
+ Chế độ CC hay Common collector
Hình 2.32 Đặc tính của BJT Theo thứ tự là chế độ CB, chế độ CE và chế độ CC Đặc tính Common base (CB) Đặc tính đầu vào Ở PNP transistor, dòng của emitter (IE) là dòng điện đầu vào còn điện áp đầu vào được xác định bằng điện áp của collector (VCB)
Hình 2.33 Đặc tính đầu vào CB
Khi tiếp điểm E-B là phân cực thuận thì quan hệ giữa IE và VEB cũng tương đương đặc tính phân cực thuận của diode Có nghĩa là khi IE tăng lên và khi VEB không đổi thì
VCB cũng thay đổi theo hướng đi lên Đặc tính đầu ra
Khi ta cấp dòng IC vào đầu ra và IE vào đầu vào của mạch thì mối quan hệ giữa I và
V được biểu diễn bằng hình bên dưới khi ở chế độ CB
Hình 2.34 Đặc tính đầu ra CB
Với PNP transistor, dòng điện và điện áp mang điện tích dương là IE và VEB còn IC,
IB và VCB là các dòng điện và điện áp mang điện tích âm Vùng mà BJT hoạt động bình thường là vùng phân cực thuận nghịch
Chế độ CB có 3 vùng hoạt động đặc trưng của BJT: Phân cực thuận nghịch, phân cực thuận và phân cực nghịch Đặc tính Common emitter (CE) Đặc tính đầu vào CE
Dòng đầu vào IB và nguồn cấp VEB có mối quan hệ được biểu diễn như hình bên dưới
Lưu ý trường hợp này điện áp VCB càng tăng thì bề rộng cực B sẽ bị giới hạn Đặc tính đầu ra CE
Hình 2.35 Đặc tính đầu vào CE
IC và VCE và IB được thể hiện như hình bên dưới
Hình 2.36 Đặc tính đầu ra CE Đối với PNP transistor chân E được phân cực thuận tức là nối dương nguồn, chân C được phân cực nghịch tức là nối âm nguồn
Chế độ CE cũng có 3 vùng hoạt động tương tự như chế độ CB transistor: Phân cực thuận nghịch, phân cực thuận và phân cực nghịch
Dòng điện chạy qua cực E và C tương ứng với dòng IE và IC, VEB và VCB lần lượt là điện áp giữa cực E-B và C-B Đối với IE IB IC, dòng điện đi vào BJT mang điện tích dương còn dòng điện đi ra khỏi BJT mang điện tích âm được tính theo công thức:
Phân cực thuận cho EB và phân cực nghịch cho CB ta có các chế độ hoạt động sau: + Chế độ ngưng dẫn
Transistor đóng vai trò như 1 khoá điện từ nhờ cấu tạo bên trong Khi kích nguồn vào chân B sẽ có một dòng điện từ chân C xuống chân E, nếu ta thêm tải vào chân C tải sẽ hoạt
26 động Ta cấp một điện áp tối thiểu VBE = 0.7V vào chân B thì transistor sẽ hoạt động
Hình 2.37 Sơ đồ mạch transistor
2.6.1.6 Sơ đồ mạch điện của BJT
Hình 2.38 Sơ đồ mạch transistor NPN
Hình 2.39 Sơ đồ mạch transistor PNP
2.5.1.4 Ứng dụng của transistor BJT
Có hai loại ứng dụng của transistor lưỡng cực: công tắc và khuếch đại
Hình 2.40 Transistor dùng làm công tắc
Transistor hiệu ứng trường còn được gọi là Transistor trường hoặc FET là thiết bị kiểm soát dòng điện trong mạch và nó được sử dụng như phần tử khuếch đại hay chuyển mạch điều khiển điện tử
Transistor JFET điều khiển bằng tiếp xúc P-N hay còn gọi với tên là transistor trường mối nối Mỗi loại FET được phân chia thành hai loại là kênh N và loại kênh P
JFET là một linh kiện rất quan trọng được ra đời sau BJT nhưng nó lại có nhiều ưu điểm hơn BJT nên được sử dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực điện tử, thiết kế và còn được dùng chế tạo các mạch tích hợp IC (Interrated Circuit) vì nó có kích thước hợp lý
2.6.2.3 Cấu trúc Transistor trường JFET Đa số các JFET có cấu tạo đối xứng nên khi đổi chỗ cực D và S mà tính chất không thay đổi
JFET gồm có 3 chân: chân S là chân nguồn; chân cửa G và chân máng D Trong đó thì chân D và chân S được nối vào kênh N còn chân G được nối vào P
Người ta chia JFET 2 loại dựa vào loại bán dẫn giữa D và S gồm kênh N và kênh P JFET kênh N thường được sử dụng rộng rãi và nhiều hơn kênh P
Hình 2.42 JFET kênh N và kênh P
JFET được hình thành nên bằng miếng bán dẫn mỏng (N-P) có hai đầu lần lượt là D và S và dùng miếng bán dẫn này làm kênh dẫn điện Hai miếng bán dẫn được nối với cực
G Cực G nhờ tiếp xúc N-P mà tách được khỏi kênh
Hai loại JFET này có nguyên lý hoạt động khá giống nhau và chúng chỉ khác nhau về chiều của dòng điện
Hình 2.43 Sơ đồ mạch nguyên lý của transistor JFET Ở chế độ khuếch đại, ta phải cấp nguồn UGS để giữa tiếp xúc P-N xảy ra phân cực ngược Các hạt mang điện di chuyển chủ yếu từ chân S về chân D là do ảnh hưởng của
=> Hình thành dòng dẫn ID trong mạch cực D
2.6.2.5 Đặc điểm hoạt động của JFET Đặc tuyến ra:
Xét trường hợp JFET phân cực với VGG=0
Mối quan hệ giữa ID, VDS và VDD thể hiện ở hình bên dưới
Khi tăng điện áp nguồn VDD, điện áp kênh-nguồn VDS và dòng thoát ID cũng tăng theo Điều này dẫn đến vùng nghèo mở rộng, nghĩa là khu vực kênh có điện tích cạn kiệt mở rộng Tuy nhiên, sự mở rộng này chưa đủ để ảnh hưởng đáng kể đến dòng thoát ID, đặc biệt là khi điện áp nguồn VDD không đủ lớn.
+ Bề rộng vùng nghèo tăng khi VDD và VDS đủ lớn VDS tăng và ID không tăng do bị ảnh hưởng của vùng nghèo
Mạch Opamp
2.7.1 Opamps khuếch đại thuật toán cơ bản
Opamp khuếch đại thuật toán (operational amplifier) là một mạch có hệ số khuếch đại rất cao Đặc trưng cơ bản của opamp là đầu ra sẽ chỉ có 1 và thành phần đầu vào vi sai Tùy theo như cầu sử dụng mà người ta có thể mắc mạch hồi tiếp âm để tính được độ lợi đầu ra và tổng trở của mạch opamp này
Opamp có một số ưu điểm sau:
- Opamp khuếch đại tín hiệu một chiều với độ miễn nhiễu cực kỳ cao
- Opamp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục micro Volt vì hệ số khuếch đại của opamp rất lớn
- Độ ổn định nhiệt của opamp rất cao do các mạch khuếch đại vi sai trong opamp được chế tạo trên cùng một phiến
- Opamp được lắp vào mạch rất dễ dàng vì điện áp ngõ vào và ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu
- Vì có băng thông tương đối dày nên cho phép opamp làm việc tốt với nhiều nguồn vào khác nhau
Hình 2.53 Cấu tạo của Op-amps
Opamp có 2 đầu vào: mang dấu (-) được gọi là đầu vào đảo và ngược là mang dấu (+) là đầu vào không đảo và sẽ có một đầu ra duy nhất. Đặc tính của opamp Độ lợi vòng lặp hở Để tính độ tăng của đầu vào so với đầu ta người ta xác định độ lợi vòng lặp hở của opamp thông qua giá trị độ lợi điện áp Thông thường nó nằm trong khoảng 20000 đến 200000.
Trở kháng đầu vào của opamp thường khảo sát có trở kháng điện trở cực kỳ cao để mạch không tốn quá nhiều dòng từ nguồn tín hiệu và tạo sự ổn định tối đa cho mạch, bên cạnh đó trở kháng điện dung hầu như không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
Giá trị này thường bằng 0
Ngoài ra opamp còn có chiều rộng băng tần hẹp, giá trị bù nhỏ và độ chính xác vô cùng cao
Ta có thể thiết lập ngõ vào và xuất ra bằng ngõ ra 𝑉 𝑜𝑢𝑡 với ba trường hợp:
Đưa dữ liệu vào ngõ (-), ngõ vào (+) nối đất thì giá trị 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝐴 𝑣𝑜 𝑉 +
Đưa dữ liệu vào ngõ (+), ngõ vào (-) nối đất thì giá trị 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝐴 𝑣𝑜 𝑉 −
Đưa dữ liệu vào cả hai ngõ vào vi sai so với đất thì giá trị 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝐴 𝑣𝑜 (𝑉 + − 𝑉 − )
Hình 2.54 Đường đặc tính truyền đạt
Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:
Vùng khuếch đại tuyến tính: giá trị điện áp đầu ra trong opamp 𝑉 𝑜𝑢𝑡 có mối quan hệ đồng nhất tuyến tính
Vùng bão hoà dương: ngõ ra luôn ở +𝑉 𝐶𝐶 bất chấp tín hiệu ngõ vào
Vùng bão hoà âm: ngõ ra luôn ở −𝑉 𝐶𝐶 bất chấp tín hiệu ngõ vào
2.7.1.4 Nguồn cung cấp cho opamp
Tùy theo từng thông số của nhà sản xuất ta có thể chọn nguồn vào cho opamp nhưng thông thường opamp nhận nguồn cung cấp phổ biến là ±5, ±9, ±12 hoặc ±15 và có thể opamp yêu cầu điện áp nối đất
Hình 2.55 Nguồn cung cấp cho opamp
2.7.1.5.1 Sơ đồ khối lý tưởng
Khối 1: tầng gia tăng tín hiệu vi sai giữa hai điện áp ngõ vào đảo và không đảo 𝑉 + và 𝑉 − Khối 2: tầng gia tăng tín hiệu trung gian gồm nhiều khối 1 liên kết với nhau giúp đặt lại điện áp 1 chiều ngõ ra
Khối 3: là tầng gia tăng tín hiệu đệm giúp ngõ ra có độ chính xác cao
2.7.1.5.2 Sơ đồ chân của opamp
Hình 2.57 Sơ đồ chân của opamp Hình 2.56 Sơ đồ khối Op-amp lý tưởng
Số chân Tên chân Mô tả chân
Số 1 Output A Đầu ra của opamp 1 (bộ khuếch đại 1) của IC
Số 2 Inverting Input A Đầu vào đảo ngược của opamp 1 (bộ khuếch đại 1)
Số 3 Non Inverting Input A Đầu vào không đảo ngược của opamp 1 (bộ khuếch đại 1)
Số 4 GND Chân nối đất hay còn gọi là mass
Số 5 Inverting Input B Đầu vào không đảo ngược của opamp 1 (bộ khuếch đại 2)
Số 6 Non Inverting Input B Đầu vào không đảo ngược của opamp 1 (bộ khuếch đại 2)
Số 7 Output B Đầu ra của opamp 2 (bộ khuếch đại 2)
Số 8 Vcc Đầu vào của LM358 cấp nguồn cho cả 2 opamp Bảng 1 Sơ đồ chân Op-amp
Opamp so sánh là một loại mạch so sánh hai tín hiệu đầu vào và chỉ tạo ra duy nhất một điện áp ngõ ra dựa trên kết quả so sánh đó
Hình 2.58 Ký hiệu và mạch tương đương của Opamp
Av là độ lợi điện áp hay còn gọi là hệ số khuếch đại vòng hở
Đặc tuyến truyền đạt của Opamp thực tế có vùng phi tuyến bão hòa dương và bão hòa âm Vùng phi tuyến này được ứng dụng trong mạch so sánh Mạch so sánh hoạt động theo nguyên lý so sánh, sử dụng Opamp không hồi tiếp để so sánh hai tín hiệu đầu vào.
2.7.2.1 Mạch so sánh không đảo
Mạch có hai ngõ vào khuếch đại lớn
Mạch ngõ ra như những mạch logic
Hình 2.60 Mạch Opamp khuếch đại không đảo Điện áp đầu vào không đảo: 𝑉 + = 𝑉 𝑖 ; Điện áp đầu vào đảo ngược: 𝑉 − = 𝑉 𝑅𝐸𝐹 ;
Theo nguyên lý so sánh:
Hình 2.61 Đồ thị của mạch Opamp so sánh
Trong mạch so sánh không đảo, điện áp so sánh được đưa vào đầu vào không đảo, còn điện áp tham chiếu được đưa vào đầu vào đảo Khi điện áp so sánh V_i vượt quá điện áp tham chiếu V_REF, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa dương Ngược lại, khi V_i nhỏ hơn V_REF, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa âm.
2.7.2.2 Mạch so sánh đảo ngược
Hình 2.62 Mạch Opamp khuếch đại đảo Điện áp đầu vào không đảo: 𝑉 + = 𝑉 𝑅𝐸𝐹 ; Điện áp đầu vào đảo ngược: 𝑉 − = 𝑉 𝑖𝑛 ;
Theo nguyên lý so sánh:
Hình 2.63 Mạch Opamp khuếch đại đảo
Bộ khuếch đại của opamp so sánh đảo ngược có dạng sóng đầu ra không cùng pha với dạng sóng nguồn vào Dạng sóng nguồn vào sẽ được khuếch đại theo thông số 𝐴 𝑣 , độ lớn và pha của nó sẽ bị đảo ngược
2.7.3 Opamp khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào
Opamp khuếch đại không có phân áp ngõ vào là một bộ khuếch đại phản ứng lại với
44 sự sai lệch giữa hai tín hiệu đặt vào của nó và loại bỏ những tín hiệu giống nhau từ hai đầu này Việc kết hợp trở kháng của bộ khuếch đại trước đó trở nên dễ dàng hơn vì nó có tín hiệu đầu vào có thêm trạng thái đệm
Về cơ bản, các bộ khuếch đại sử dụng opamp đều là các mạch khuếch đại vi sai Bằng việc kết nối tín hiệu điện áp với 1 đầu vào và 1 tín hiệu điện áp khác ở đầu vào còn lại thì điện áp đầu ra sẽ có kết quả chênh lệch với các tín hiệu điện áp đầu vào 𝑉 1 và
Hình 2.64 Sơ đồ mạch Opamp khuếch đại có phân áp ngõ vào
Khi đầu vào được kết nối nối tiếp với mass (0V), điện áp đầu ra có thể được xác định Trong trường hợp này, hàm truyền của mạch khuếch đại vi sai được tính như sau:
𝑅 1 ) Trong trường hợp 𝑅 1 = 𝑅 2 và 𝑅 3 = 𝑅 4 thì hàm vi sai được đơn giản hóa bằng công thức:
Nếu trong trường hợp tất cả các điện trở trong mạch đều có cùng chung một giá trị có nghĩa là 𝑅 1 = 𝑅 2 = 𝑅 3 = 𝑅 4 , lúc này mạch sẽ trở thành mạch khuếch đại vi sai đơn vị và độ lợi điện áp của bộ khuếch đại này sẽ chính xác bằng 1 Khi đó, đầu ra sẽ đơn giản sẽ là:
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 2 − 𝑉 1 Trong một số trường hợp đầu vào 𝑉 1 > 𝑉 2 thì lúc này tổng điện áp 𝑉 𝑜𝑢𝑡 sẽ là âm Và nếu 𝑉 2 > 𝑉 1 thì cũng đồng nghĩa đầu ra 𝑉 𝑜𝑢𝑡 sẽ là dương
Hình 2.65 Đồ thị đặc tuyến của mạch Opamp khuếch đại vi sai
Mạch khuếch đại vi sai là mạch opamp rất hữu ích và bằng việc thêm điện trở song song với các điện trở 𝑅 1 và 𝑅 3 ở khu vực đầu vào, mạch lúc này sẽ được thực hiện một trong 2 phép tính cộng hoặc trừ với điện áp cho đầu vào tương ứng
Opamp được sử dụng nhiều trong mạch cảm biến ánh sáng hay cảm biến bóng tối như mạch bên dưới
Hình 2.66 Mạch cảm biến bóng tối
Hình 2.67 Mạch cảm biến ánh sáng
IC 555
Hình 2.68 Hình ảnh thực tế NE555P
IC 555 còn được gọi là IC định thời IC này được sử dụng để tạo ra độ trễ và được
47 dùng để tạo xung chính xác cho thiết bị với độ ổn định và tỷ lệ chính xác cao
IC NE555 bao gồm một bộ opamp, 1 mạch lật hay flip-flop và transistor Trong đó bộ opamp dùng để so sánh điện áp và transistor dùng để xả điện
Bên trong của IC 555 có ba điện trở được mắc nối tiếp nhằm giúp chia điện áp nguồn thành 3 phần để tạo nên một điện áp chuẩn
Chân cấp nguồn của IC555 sẽ hoạt động được với dải điện áp từ 5 – 18V
Thông số của một con IC 555:
- Dải điện áp nguồn từ 2 – 18V
- Dòng tiêu thụ: Tuỳ thuộc vào từng điều kiện hoạt động, thông thường từ vài mA
2.8.3 Chức năng hoạt động của IC 555
Hình 2.69 Cấu trúc mạch bên trong NE555
Trên hình ta thấy được khi điện áp ở chân số 6 bằng 2/3 điện áp của nguồn và điện áp ở chân số 2 bằng 1/3 điện áp nguồn thì có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh chân số 5 còn gọi là chân Control Voltage
Giá trị điện áp chân số 2 thấp hơn mức kích thích thì Flip – Flop sẽ chuyển qua trạng thái Set đưa điện áp đầu ra ở chân số 3 lên mức cao Khi điện áp chân 2 trên mức kích và đồng thời chân số 6 trên mức điện áp cắt Flip – Flop sẽ tự động thiết lập về trạng thái reset dẫn đến đầu ra của chân số 3 giảm xuống còn 0 Khi áp chân 4 xuống mức thấp thì Flip –
Flop tự động reset theo khiến cho đầu ra chân số 3 sẽ giảm xuống 0 Khi điện áp chân số 3 bằng 0 thì lúc này chân 7 sẽ được nối với mass chung tức là chân số 1
IC 555 thường dùng để điều chỉnh độ rộng xung, điều chế vị trí của xung, tạo xung chính xác cho thiết bị và còn được dùng để thu phát hồng ngoại
Chức năng hoạt động của từng chân:
Chân số 1: là chân nối GND (mass) để cấp dòng cho IC
Chân số 2 : chân TRIGGER là chân kích Nó cung cấp đầu kích vào IC555 giúp IC hoạt động ổn định hơn
Chân số 3: còn được gọi là chân OUTPUT và dùng để phát tín hiệu đầu ra
Chân số 4: là chân RESET được sử dụng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555 Nếu muốn tạo dao động thì thông thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc
Chân số 5: là chân CONTROL VOLTAGE, dùng để điều khiển điện áp trong IC
555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1
Chân số 6: là chân THRESHOLD đầu vào dùng so sánh điện áp hay còn gọi là chân ngưỡng
Chân số 7: là chân DISCHARGE có nhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C Nó còn được gọi là chân xả điện
Chân số 8: là chân cấp nguồn (Vcc) Chân 8 có thể được cấp với mức điện áp dao động từ 5 – 18V
2.8.4 Các chế độ hoạt động của IC555
Bộ định thời 555 hoạt động ở một trong các chế độ sau:
2.8.4.1.Chế độ đa hài phi ổn (Astable Mode)
IC555 là một chế độ hoạt động tự do Khi trạng thái của mạch chuyển đổi nằm giữa mức thấp và mức cao, đầu ra của mạch sẽ trải qua quá trình liên tục chuyển đổi, tạo ra một chuỗi các xung điện Nên nó được nhìn nhận như là một thiết bị tạo ra xung điện
Mạch tạo xung vuông, nó không yêu cầu tín hiệu đầu vào hoặc kích hoạt Trigger mà vẫn có thể tự động chuyển đổi giữa 2 điện áp, nó như là máy đếm, nó có khả năng đếm liên tục với những tiếng bíp dài hoặc ngắn nhưng vẫn duy trì tốc độ chuyển động mà không cần can thiệp bất cứ cách nào khác Ta thêm vào 3 linh kiện bên ngoài như là kết hợp hai điện trở (R1 và R2) và một tụ (C) thì IC 555 có thể được sử dụng để làm việc như mạch dao động với hai tần số ổn định
Hình 2.70 Sơ đồ mạch dao động đa hài phi ổn
Khi ta nối chân 2 và chân 6 với nhau thì mạch sẽ không cần đến tác động từ bên ngoài vào Mạch sẽ tự kích hoạt và bắt đầu hoạt động Nguồn Vcc được nối tới chân số 8 Chân
Chân 3 là đầu ra tín hiệu xung, hoạt động để đặt lại hệ thống khi được kích hoạt ở mức thấp Chân 4 có vai trò reset bên ngoài, thông thường được nối với nguồn khi không sử dụng để duy trì trạng thái reset.
Mức điện áp ngưỡng chân số 6 sẽ bị thay đổi bởi điện áp điều khiển đặt vào tại chân
5 Chân 1 là chân nối đất Độ rộng xung đầu ra được xác định thông qua các linh kiện R1,
Hình 2.71 Sơ đồ nguyên lý của chế độ đa hài phi ổn (Astable Mode)
Flip-flop bị RESET khi khởi động nguồn điện, quá trình xả của transistor dẫn đến trạng thái bão hòa Tụ điện C được nối với chân 7 nó sẽ xả điện qua transistor làm đầu ra ở mức thấp Điện áp tụ C được xem là điện áp kích hoạt trong lúc này Trong quá trình xả của transistor, nếu điện áp trên tụ C nhỏ hơn 1/3 điện áp nguồn thì sẽ bắt đầu kích hoạt bộ so sánh, đầu ra bộ so sánh 2 sẽ tăng lên cao Điều này set flip-flop và đầu ra chân 3 của mạch tăng lên cao
Transistor sẽ tắt khi ngõ ra ở mức cao Vì vậy, tụ điện C bắt đầu nạp điện qua các điện trở R1 và R2 Lúc này điện áp tụ C giống như điện áp chân 6 vì chân 6 được nối với tiếp điểm điện trở tụ C Trong lúc nạp điện, điện áp tụ C tăng đến VCC và khi điện áp tụ C vượt qua 2/3 điện áp nguồn, đó là giá trị điện áp để kích bộ so sánh 1, ngõ ra của mạch ở mức cao
Vì vậy, flip-flop bị RESET Đầu ra xuống thấp làm cho transistor cung cấp đường dẫn xả cho tụ điện dẫn đến việc tụ điện C xả qua R2 Và vẫn cứ lặp lại chu kỳ trên
Dạng sóng ngõ ra có dạng là một chuỗi các xung hình chữ nhật
Hình 2.72 Dạng sóng của điện áp tụ điện và ngõ ra ở chế độ phi ổn
Tụ điện trong khi nạp điện sẽ nạp qua các điện trở R1, R2 thì hằng số thời gian sạc là (R1 + R2).C.
Khi xả điện, tụ điện chỉ xả qua điện trở R2 thì hằng số thời gian xả là R2 C
2.8.4.2 Chế độ đơn ổn (Monostable Mode)
Mạch luôn duy trì ở trạng thái ổn định khi đang ở chế độ này cho đến khi có tác động từ xung kích thích từ ngoài vào mạch IC555 hoạt động như một bộ tạo xung với chu kỳ và độ rộng có thể điều chỉnh được và ngoài ra nó còn có thể tạo ra một khoảng trễ thời gian trong một hệ thống và đó cũng là một trong những ứng dụng điển hình của nó
Ngoài ra IC555 ở chế độ này còn có các ứng dụng khác như là bộ định thời (timer), phát hiện xung bị thiếu, chống dội công tắc, công tắc cảm ứng cũng như điều chế độ rộng xung và nhiều tính năng khác
Hình 2.73 Mạch dao động đơn ổn (Monostable Mode)
Mạch LOGIC
Còn gọi là cổng đảo hay cổng chặn và chỉ có một đầu vào và một đầu ra duy nhất Cổng NOT thực hiện phép phủ định trạng thái logic của đầu vào
Hình 2.84 Cổng NOT Ngõ vào và ngõ ra có mức logic hoàn toàn trái ngược
Cổng OR là cổng logic có hai hoặc nhiều đầu vào có một đầu ra Đầu ra của cổng
OR sẽ ở trạng thái logic cao nếu một trong hai đầu vào cũng ở trạng thái logic cao
Cổng NOR là cổng logic có hai hoặc nhiều đầu vào có một đầu ra Đầu ra của cổng NOR sẽ ở trạng thái logic cao nếu tất cả hai đầu vào ở trạng thái logic thấp
Cổng AND là cổng logic có hai hoặc nhiều đầu vào có một đầu ra Đầu ra của cổng AND sẽ ở trạng thái logic cao nếu tất cả hai đầu vào ở trạng thái logic cao Nếu một trong hai đầu vào của cổng AND ở trạng thái logic thấp thì đầu ra cổng AND cũng ở trạng thái logic thấp
Cổng NAND là cổng logic có hai hoặc nhiều đầu vào có một đầu ra Đầu ra của cổng NAND sẽ ở trạng thái logic cao nếu một trong hai đầu vào ở trạng thái logic cao hoặc cả 2 đầu vào ở trạng thái logic thấp Nếu tất cả đầu vào đều ở trạng thái logic cao thì đầu ra cổng NAND sẽ ở trạng thái logic thấp
THIẾT KẾ, THI CÔNG MỘT SỐ MÔ ĐUN LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Quy trình thiết kế mô hình
Quy trình thiết kế mô hình linh kiện điện tử giảng dạy theo các bước như sau:
Bước 1: Lên ý tưởng thiết kế khung: khung sắt có hai tầng chứa 6 hộp mô đun; tầng trên được thiết kế chứa 3 hộp và tầng dưới chứa 3 hộp còn lại
The second phase involved designing six modular box models using Autodesk Inventor and Proteus software These models included a logic gates module, an op-amp module, a transistor module, a diode module, a voltage bridge and variable resistor module, and a 555 IC and Vcc module The designs aimed to provide a comprehensive overview of electronic components and their functions.
Bước 3: Bên trong các hộp mô đun sẽ chứa các mạch điện loại PCB giúp tăng tuổi thọ của các mạch và sử dụng được lâu dài
Bước 4: Gia công, lắp ráp và hoàn thiện mô hình giảng dạy.
Thiết kế phần mềm
3.2.1 Thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor
Quy trình thiết kế mạch điện trên phần mềm Autodesk Inventor theo các bước như sau:
Bước 1: Tính toán kích thước từng hộp mô đun và lấy kích thước thực tế: kích thước hộp mặt mica là 29,5x45,5 cm và kích thước hộp phía sau là 27,5x42,5 cm
Hình 3 1 Mô đun Logic Gates
Bước 2: Vẽ phác thảo mạch điện và điều chỉnh sao cho cân đối giữa các mạch với nhau trên phần mềm Autodesk Inventor
Bước 3: Tính toán và lưu lại kích thước của linh kiện như điện trở, transistor, công
64 tắc,… sau đó vẽ ký hiệu linh kiện điện tử vào phần mềm
Hình 3 2 Mô đun IC-555 Bước 4: Vẽ nguồn và nối đất
3.2.2 Thiết kế mạch trên phần mềm Proteus
Quy trình thiết kế mạch trên phần mềm Proteus theo các bước như sau:
Bước 1: Sử dụng các linh kiện có sẵn trong phần mềm Proteus sau đó tiến hành vẽ lại mạch điện và cho chạy để kiếm tra mạch có hoạt động được hay không
Hình 3 3 Mạch trên phần mềm Proteus
Bước 2: Sau khi mạch đã hoạt động được thì nhóm tiến hành ghi lại thông số các linh kiện trên mạch để phục vụ việc hàn gắn linh kiện ở phần sau
Bước 3: Chuyển sang chế độ PCB LayOut sau đó thiết kế mạch điện PCB Ở bước này, nhóm sẽ sử dụng đường Track Mode là T50; các chân của điện trở nhóm sẽ sử dụng Round 90x50th để khoan lỗ Ở 4 góc mạch PCB nhóm sẽ để Round 180xM3 để khoan vít nâng mạch lên cao tránh hỏng mối hàn
Hình 3 4 Mạch PCB lay out 555 astable trên proteus
Bước 4: Với các chân của linh kiện 8 chân nhóm sẽ thêm 1 đường mạch ra để thuận tiện trong việc cấp nguồn vào
Bước 5: Nhóm sẽ xuất ra file PDF sau đó in mạch
Hình 3 5 Mạch in PDF 555 astable
Với các mạch điện tử còn lại nhóm làm tương tự.
Thi công phần cứng
3.3.1 Thiết kế mạch in PCB
Tấm đồng, giấy nhám, dao cắt, máy khoan, bột sắt
3.3.1.2 Thi công mạch in PCB
Quy trình thi công mạch in PCB theo các bước như sau:
Bước 1: Tiến hành gia công miếng đồng thành khuôn chữ nhật có kích thước như bản
67 vẽ trên phần mềm Proteus
Bước 2: Dùng bàn là ủi lên miếng đồng với nhiệt độ cao để in mạch điện lên đồng, sau đó rửa qua bằng nước lạnh Đồng thời sử dụng giấy nhám để loại bỏ phần đồng không cần thiết.
Bước 3: Tiến hành ngâm mạch vào bột sắt và nước sôi
Bước 4: Lấy giấy nhám chà sát để xuất hiện đường đồng như hình bên dưới
Bước 5: Tiến hành khoan lỗ và hàn linh kiện điện tử thành mạch điện hoàn chỉnh
3 3 2 Thi công khung mô hình
Quy trình thi công mô hình gồm có các bước như sau:
Bước 1: Chọn thanh sắt ở phần chân loại vuông 40x40 mm để dễ hàn; phần sắt làm khung phía trên loại 60x30 mm
Bước 2: Tiến hành hàn các thanh sắt lại với kích thước tính toán ban đầu
Bước 3: Lắp 4 bánh xe, bánh xe nhóm sử dụng loại bánh xe cao su giúp chống trơn trượt và giúp cố định mô hình
Hình 3 7 Khung mô hình hoàn thiện
3.3.3 Thi công hộp mô đun
Quy trình thi công hộp mô đun gồm các bước như sau:
Bước 1: In bản mica đã vẽ trên phần mềm Autodesk Inventor
Hình 3 8 Mạch in bằng mica
Thực hiện lắp ráp các linh kiện gồm giắc cắm banana, đèn LED, công tắc, lên mạch Các chân âm (-) và dương (+) của đèn LED cùng các linh kiện khác sẽ được cố định chắc chắn bằng phương pháp hàn lên mạch.
Hình 3 9 Ảnh lắp linh kiện và dây dẫn Bước 3: Nhóm tiến hành đấu dây dẫn từ mạch PCB vào hộp như ảnh bên dưới
Hình 3 10 Nối dây vào mạch để hoàn thành modun Bước 4: Kiểm tra các mối nối dây dẫn, riêng các chân âm – dương của led sẽ được hàn cố định; nhóm dùng dây rút để làm gọn và để phân biệt từng mạch điện tử
Hình 3 11 Kê mạch vào hộp Module Bước 5: Nhóm tiến hành lắp lại thành module hoàn chỉnh
Hình 3 12 Module hoàn chỉnh Bước 6: Sau đó nhóm gá 6 hộp module vào khung sắt theo thứ tự đã bàn tính trước
71 và thành mô hình hoàn chỉnh
Hình 3 13 Khung mô hình hoàn thiện
QUY TRÌNH THỰC HIỆN CÁC BÀI THỰC HÀNH
Dụng cụ thực hiện
Hình 4 1 Đồng hồ VOM Đồng hồ VOM là thiết bị đo lường dùng để đo điện áp và cường độ dòng điện của cái mô đun.
Module Diode – Voltage Divider
4.2.1 Mạch Diode chỉnh lưu thường và led diode
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
Led đỏ 5 mm có mức điện áp 𝑈 𝑙𝑒𝑑 =2,2V;
Nguồn cấp 𝑉 𝑐𝑐 = 5𝑉 và diode chỉnh lưu 1N4001 có thông số:
Dòng điện định mức 𝐼 đ𝑚 = 1 (𝐴); Điện áp rơi trên diode 𝑈 𝐷 = 0,7(𝑉); Điện áp ngược cực đại 𝑈 𝑍 = 50(𝑉)
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch diode thường và
Dòng điện đi từ nguồn dương sang âm và đi từ anode sang cathode, ở mạch này diode đang ở chế độ ON Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
Diode như một công tắc đang mở và ngăn không cho dòng điện chạy qua 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 5𝑉
Dòng điện đi từ nguồn dương sang âm làm led diode sáng 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 1,87𝑉
4.2.2 Mạch diode quang và diode zener
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
Led đỏ 5 mm có mức điện áp 𝑈 𝑙𝑒𝑑 =2,2V;
Thu hồng Ngoại 5mm có bước sóng 940nm, hoạt động ở điện áp từ 2.8 đến 3 VDC, dòng điện 20mA
Diode Zener 1N4729A 3.6V công suất tối đa 1W
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW2 tiến hành đo kiểm mạch diode quang và mạch diode zener
- Khi chiếu ánh sáng hồng ngoại vào diode quang, đầu ra 𝑉 𝑜𝑢𝑡 sẽ có giá trị dương, dòng điện chạy trong mạch
- Khi không chiếu sáng hồng ngoại, đầu ra 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0, mạch hở
- Khi bật và tắt công tắt phía zener thì giá trị điện áp trong mạch sẽ thay đổi
- Cho 𝐼 𝑍 = 1 𝑚𝐴 Tìm dòng qua các điện trở, diode zener và công suất của diode zener: Tính toán thiết kế mạch
- Công thức tính trong mạch diode zener:
𝐼 5 = 𝐼 6 + 𝐼 𝑍 ; Với 𝐼 5 là dòng qua điện trở 𝑅 5 ;
𝐼 6 là dòng qua điện trở 𝑅 6 ;
Ta có: Áp dụng định luật Kirchhoff ta được:
3,24.10 −3 = 1111 (Ω) Như vậy, ta chọn giá trị 𝑅 6 tối thiểu là 1111 ôm
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
𝑅 1 = 1𝑘Ω; 𝑅 2 = 3,3𝑘Ω; 𝑅 3 = 1𝑘Ω; biến trở giá trị PkΩ Điện Trở Nhiệt NTC mã 16D-9 có: R, nhiệt độ hoạt động trong khoảng -55~200
Quang Trở mã GL12516, giá trị đỉnh phổ: 540 nm, trở kháng ánh sáng (10Lux): 10
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW3 tiến hành đo kiểm mạch cầu phân áp và chiết áp
- Dòng điện và điện áp đầu ra trong mạch được tính theo công thức:
- Với mạch chiết áp giá trị điện áp thay đổi từ 0 đến giá trị nguồn cấp.
Mô đun Transistor
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Đo kiểm các giá trị điện áp ở trường hợp công tắc ở trạng thái ON (dẫn bão hòa) ta thấy
-Đo kiểm các giá trị điện áp ở trường hợp công tắc ở trạng thái OFF (ngưng dẫn) ta thấy
𝑉 𝐵𝐸 = 0; 𝑉 𝐶𝐸 và 𝑉 𝐶𝐵 có giá trị tăng theo từng mức điện áp nguồn vào 𝑉 𝑐𝑐
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch Transistor BJT
- Phân tích mạch để xác định điện áp tại các nút và dòng điện tại các nhánh Với hệ số khuếch đại của transistor C1815: 𝛽 = 25; R1= 620; R2= 3300
- Nhận xét: Transistor BJT loại NPN điều khiển bằng dòng điện cực gốc 𝐼 𝐵 , khi có dòng điện từ cực B tới cực E sẽ có dòng đi từ cực C xuống cực E gọi là dòng cực góp 𝐼 𝐶
Transistor là linh kiện điện tử bán dẫn có hai chức năng chính là khuếch đại và đóng ngắt Khi sử dụng dòng điện cực gốc (𝐼𝐵) làm tín hiệu vào, dòng điện cực góp (𝐼𝐶) sẽ được khuếch đại Ngược lại, khi dòng điện cực gốc bị đóng ngắt thì transistor hoạt động như một công tắc, cho phép dòng điện đi qua hoặc chặn dòng điện tùy theo trạng thái ON hoặc OFF.
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Đo kiểm các giá trị điện áp ở trường hợp công tắc ở trạng thái ON (dẫn bão hòa) ta thấy
-Đo kiểm các giá trị điện áp ở trường hợp công tắc ở trạng thái OFF (ngưng dẫn) ta thấy
𝑉 𝐵𝐸 = 0; 𝑉 𝐶𝐸 và 𝑉 𝐶𝐵 có giá trị tăng theo từng mức điện áp nguồn vào 𝑉 𝑐𝑐
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch Transistor BJT PNP
- Phân tích mạch để xác định điện áp tại các nút và dòng điện tại các nhánh Với hệ số khuếch đại của transistor A1015: 𝛽 = 25; R1= 620; R2= 3300
- Nhận xét: Transistor BJT loại PNP điều khiển bằng dòng điện cực gốc 𝐼 𝐵 , khi có dòng điện từ cực E tới cực B sẽ có dòng đi từ cực E xuống cực C gọi là dòng cực góp 𝐼 𝐶
Transistor có 2 chức năng chính là khuếch đại (sử dụng 𝐼 𝐵 làm tín hiệu vào thì tín hiệu ra 𝐼 𝐶 sẽ được khuếch đại lên) và như một công tắc khi ON/OFF dòng 𝐼 𝐵
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Ở trạng thái công tắc OFF JFET dẫn bão hòa làm led sáng và khi công tắc ON lúc này giá trị 𝑉 𝐺𝑆 tăng lên thì JFET ngưng dẫn
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW2 tiến hành đo kiểm mạch Transistor JFET kênh N
- Phân tích mạch để xác định điện áp tại các nút và dòng điện tại các nhánh Với dòng điện cực máng bão hòa 𝐼 𝐷𝑆𝑆 = 0,3 ÷ 6,5𝑚𝐴; 𝑉 𝐺𝑆𝑜𝑓𝑓 = −0,4 ÷ −5𝑉
*Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng qua điện trở 𝑅 2 :
*Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng qua điện trở 𝑅 1 :
Khi ta chưa bật công tắc mạch JFET kênh N ta có: 𝑉 𝐺𝑆 = 0 và 𝑉 𝐷𝑆 = 0,32 > 0 Lúc này dòng chảy 𝐼 𝐷 không đổi đi từ cực D qua cực S xuống mass, transistor dẫn bão hòa làm led sáng
Khi ta bật công tắc là lúc ta tăng điện áp 𝑉 𝐷𝑆 , lúc này vùng nghèo được mở rộng ra đến khi 𝑉 𝐷𝑆 = 𝑉 𝑝 (điện áp thắt kênh) thì transistor ngưng dẫn làm led tắt
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Ở trạng thái công tắc OFF JFET dẫn bão hòa làm led sáng và khi công tắc ON lúc này giá trị 𝑉 𝐺𝑆 tăng lên.thì JFET ngưng dẫn
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW2 tiến hành đo kiểm mạch Transistor JFET kênh N
- Phân tích mạch để xác định điện áp tại các nút và dòng điện tại các nhánh Với dòng điện cực máng bão hòa 𝐼 𝐷𝑆𝑆 = −2,6 ÷ −20𝑚𝐴; 𝑉 𝐺𝑆𝑜𝑓𝑓 = −0,4 ÷ −5𝑉
*Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng qua điện trở 𝑅 2 :
*Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng qua điện trở 𝑅 1 :
Khi ta chưa bật công tắc mạch JFET kênh N ta có: 𝑉 𝐺𝑆 = 0 và 𝑉 𝐷𝑆 = 5,28𝑉 > 0 Lúc này dòng chảy 𝐼 𝐷 không đổi đi từ cực D qua cực S xuống mass, transistor dẫn bão hòa làm led sáng
Khi ta bật công tắc là lúc ta tăng điện áp 𝑉 𝐷𝑆 , lúc này vùng nghèo được mở rộng ra đến khi 𝑉 𝐷𝑆 = 𝑉 𝑝 (điện áp thắt kênh) thì transistor ngưng dẫn làm led tắt
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Ở trạng thái công tắc OFF, mosfet ở trạng thái ngưng dẫn; khi công tắc ON thì mosfet dẫn
79 bão hòa làm led sáng với giá trị 𝑉 𝐺𝑆 tăng lên
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW3 tiến hành đo kiểm mạch Transistor MOSFET kênh N
- Dựa theo sơ đồ mạch điện đã cho nghiên cứu, tính toán các giá trị linh kiện trong mạch
- Nhận xét: Transistor Mosfet có cực cách ly ta luôn có 𝐼 𝐺 = 0; 𝐼 𝐷 = 𝐼 𝑆 ; trên họ đặc tuyến Volt-Ampere đầu ra của mosfet được điều khiển bằng điện áp 𝑉 𝐺𝑆
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
-Ở trạng thái công tắc OFF, mosfet ở trạng thái ngưng dẫn; khi công tắc ON thì mosfet dẫn bão hòa làm led sáng với giá trị 𝑉 𝐺𝑆 tăng lên
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW3 tiến hành đo kiểm mạch Transistor MOSFET
- Dựa theo sơ đồ mạch điện đã cho nghiên cứu, tính toán các giá trị linh kiện trong mạch
- Nhận xét: Transistor Mosfet có cực cách ly bằng việc đóng cắt nhanh ta luôn có 𝐼 𝐺 0; 𝐼 𝐷 = 𝐼 𝑆 ; trên họ đặc tuyến Volt-Ampere đầu ra của mosfet được điều khiển bằng điện áp 𝑉 𝐺𝑆
Mô đun Opamp
4.4.1 Mạch Opamp So sánh dùng điện trở
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch Opamp so sánh sử dụng điện trở
- Nguyên lý hoạt động: Khi không có hồi tiếp âm hay mạch vòng hở thì opamp sẽ hoạt động ở chế độ bão hòa hay so sánh
- Khi 𝑉 + > 𝑉 − thì 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = + 𝑉 𝑐𝑐 => Opamp bão hòa dương
-Khi 𝑉 + < 𝑉 − thì 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = − 𝑉 𝑐𝑐 => Opamp bão hòa âm
*Trường hợp 1: Opamp không có hồi tiếp âm nên hoạt động ở chế độ bão hòa
Bước 1: Ta tiến hành đo nguồn 𝑉 𝑐𝑐 của mạch, 𝑉 𝑐𝑐 = 5𝑉
Bước 2: Xoay biến trở và đo điện áp tại 𝑉 1 ( 𝑉 𝑖𝑛+ ) đến vị trí 1V
Bước 3: Đo điện áp tại 𝑉 2 (𝑉 𝑖𝑛− ) = 2,57V
Bước 4: Nhận thấy 𝑉 1 𝑉 2 , opamp bão hòa dương và đầu ra tối đa bằng 𝑉 𝑐𝑐 = 5𝑉 Thật vậy kết quả đầu ra Output: đầu ra là 3,98V
Ta có hệ số khuếch đại 𝐴 = 𝑉 𝑜𝑢𝑡
*Trường hợp 3: Sự bất định xảy ra
Bước 1: Ta tiến hành đo nguồn 𝑉 𝑐𝑐 của mạch, 𝑉 𝑐𝑐 = 5𝑉
Bước 2: Xoay biến trở và đo điện áp tại 𝑉 1 đến vị trí 2,57V
Bước 3: Đo điện áp tại 𝑉 2 (𝑉 𝑖𝑛− ) = 2,57V
Bước 4: Nhận thấy 𝑉 1 ≈ 𝑉 2 Sự bất định xảy ra nhưng thường được khử bằng những phản hồi dương để tạo trễ 𝑉 𝑜𝑢𝑡 > 0
4.4.2 Mạch Opamp So sánh dùng quang trở
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
Opamp LM358P; điện trở: 𝑅 1 =3.3k; biến trở: P𝑘Ω
Quang trở GL5528 (trở kháng ánh sáng:10 ~ 20 (KΩ); trở kháng bóng tối: 2 (MΩ)) ( copy quang trở ở trên)
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW2 tiến hành đo kiểm mạch Opamp so sánh sử dụng quang trở
- Nguyên lý hoạt động tương tự như mạch opamp sử dụng điện trở chỉ khác nhau ở chỗ ta có hay không chiếu sáng vào quang trở.
Mạch Opamp So sánh khuếch đại vi sai có phân áp ngõ vào
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW3 tiến hành đo kiểm mạch Opamp khuếch đại vi sai
Bước 1: Ta tiến hành đo nguồn Vcc của mạch, 𝑉 𝑐𝑐 = 5𝑉
Bước 2: Đo vị trí 𝑉 1 khi thực hiện xoay biến trở đến 1,588V
Bước 3: Đo vị trí 𝑉 2 khi thực hiện xoay biến trở đến 3,17V
Bước 4: Tiến hành xem kết quả đầu ra Output: đầu ra là 0,65V
Thật vậy, khi sử dụng công thức tính:
1000 ) = 0,65𝑉, giá trị đúng như thực tế.
Mô đun IC định thời 555
4.6.1 Chế độ lưỡng ổn – Bistable Mode
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch Bistable Mode
- Đo giá trị điện áp đầu ra khi ta ấn nút nhấn chân 2 và chân 4
- Nhận xét: ở chế độ này IC định thời 555 hoạt động như mạch phần tử logic có nhớ khi trạng thái hoạt động trước sẽ được lưu trữ ở trạng thái đầu ra và trạng thái đầu ra sẽ được giữ lại và kết hợp với trạng thái đầu vào mới để tạo ra đầu ra mới Chế độ lưỡng ổn này được ứng dụng, thiết kế các bộ đếm hay bộ nhớ,…
4.6.2 Chế độ phi ổn - Astable Mode
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
Tụ 𝐶 1 là tụ gốm C104; tụ 𝐶 2 là tụ phõn cực 100àF 16V
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW2 tiến hành đo kiểm mạch Astable Mode
- Đo giá trị điện áp đầu ra khi ta ấn nút nhấn chân 2 và chân 4
- Nhận xét: Ở chế độ này, 555 ở chế độ phi ổn hoạt động như một chế độ chạy bất định Cổng ra sẽ thay đổi giữa 2 trạng thái thấp và cao, do đó tạo ra một chuỗi xung như một máy phát xung
4.6.3 Chế độ đơn ổn – Monostable Mode
- Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch:
Tụ 𝐶 1 là tụ gốm C104; tụ 𝐶 2 là tụ phõn cực 100àF 16V
- Bật công tắc PWR sau đó bật công tắc SW1 tiến hành đo kiểm mạch Monostable Mode
- Đo giá trị điện áp đầu ra khi ta ấn nút nhấn chân 2 và chân 4
- Nhận xét: Chế độ đơn ổn mạch hoạt động khi có tác động từ bên ngoài như khi ta ấn công tắc, IC định thời sẽ hoạt động như một bộ xung “one-shot” nó được sử dụng nhiều trong hầu hết các loại mạch tạo thời gian trễ.
Mô đun Logic Gates
IC điều khiển cổng NOT là transistor NPN lưỡng cực NPN loại C1815 Điện áp ngõ ra có giá trị là 2,65V
- Nhận xét: Cổng NOT là cổng có tín hiệu đầu ra ngược với tín hiệu đầu vào Khảo sát trên mô hình, cực A là cực đặt điện áp vào, cực X là điện áp ra
IC điều khiển cổng OR: CD4071BD, 2 ngõ vào 14 chân có mức điện áp hoạt động từ 3-18VDC Điện áp ngõ ra có giá trị là 2,65V
-Nhận xét: Ở cổng OR, tín hiệu đầu ra cực X sẽ là 1 nếu có ít nhất 1 tín hiệu vào cực A hoặc B Nói cách khác khi đặt một điện áp vào một hoặc hai đầu vào A và B, sẽ có một điện áp ở đầu ra X
IC điều khiển cổng NOR: CD4001BE, 2 ngõ vào 14 chân có mức điện áp hoạt động từ 3-18VDC Điện áp ngõ ra có giá trị là 2,65V
-Nhận xét: Cổng NOR là sự tổ hợp của cổng OR và cổng NOT Tín hiệu này tại đầu ra X sẽ chỉ là 1 khi cả hai đầu vào A và B là 0 Tín hiệu này tại đầu ra X sẽ là 0 nếu một hoặc cả hai đầu vào A và B là số 1
IC điều khiển cổng AND: CD4081BE, 2 ngõ vào 14 chân có mức điện áp hoạt động từ 3-18VDC Điện áp ngõ ra có giá trị là 2,65V
-Nhận xét: Ở cổng AND, đầu ra sẽ là 1 khi mọi tín hiệu vào là 1 Sẽ có một điện áp ở đầu ra X khi có điện áp được ở hai đầu vào cực A và B
IC điều khiển cổng NAND: CD4011BE, 2 ngõ vào 14 chân có mức điện áp hoạt động từ 3-18VDC Điện áp ngõ ra có giá trị là 2,65V
-Nhận xét: Cổng NAND là một tổ hợp của một cổng AND và một cổng NOT
