Thông tin tài liệu
Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Mạch nạp Nội dung Mạch nạp ISP STK200/300 Chương trình nạp PonyProg Mạch nạp USB AVR910 Các cần tham khảo trước Làm quen AVR Download PonyProg , Download AVR910 USB Một ưu điểm lớn chip AVR tính đơn giản sử dụng có việc nạp chương trình cho chip AVR hỗ trợ khả nạp chương trình hệ thống - ISP(In-System Programming), nạp trực tiếp chương trình vào chip mà không cần tháo chip khỏi mạch ứng dụng Mạch nạp cho AVR phong phú hầu hết đơn giản Trong giới thiệu loại mạch nạp phổ biến người sử dụng AVR mạch ISP SKT200/300 (gọi tắt AVR ISP) mạch USB AVR910 Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng, tùy theo nhu cầu khả bạn chọn chế tạo cho loại mạch nạp phù hợp I Mạch nạp STK200/300 Mạch nạp loại sử dụng cho board STK200/300 Atmel nên thường gọi STK200/300 Mạch giao tiếp với máy tính qua cổng LPT (cổng song song) Có phiên phổ biến mạch STK200/300 phiên thu gọn phiên sử dụng IC đệm 74xx244 Sơ đồ mạch nạp thu gọn trình bày hình Đây loại mạch đơn giản tất loại mạch nạp cho AVR, mạch bao gồm điện trở Nhược điểm mạch không an toàn, gây hại cho cổng LPT (thật chưa mắc phải vấn đề sử dụng mạch STK200/300 thu gọn) Mặt khác mạch không đảm bảo nạp cho tất chip AVR Tuy nhiên, bạn nhiều kinh nghiệm làm mạch điện tử chế tạo mạch để test chương trình AVR mà bạn học Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn Một loại mạch STK200/300 khác sử dụng phổ biến loại mạch có dùng IC đệm 74HC244 (hoặc 74LS244), so với mạch thu gọn, mạch có phức tạp đôi chút (xem hình 2) bù lại mạch nạp ổn định an toàn Mạch hỗ trợ nhiều chương trình nạp sử dụng cho hầu hết loại chip AVR Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Sơ đồ mạch nạp STK200/300 đầy đủ Như quan sát hình 2, việc nạp ISP cho AVR thường thực thông qua đường nạp bản, GND, VCC, RESET, SCK, MISO MOSI Khi chế tạo mạch nạp, bạn phải ý thứ tự đường nạp cho phù hợp với thứ tự mà bạn bố trí cho mạch ứng dụng Một điều đặc biệt chip ATmega16, ATmega32, ATmega8535, AT90S8535 đường dành cho việc nạp ISP nằm cạnh theo thứ tự GND, VCC, RESET, SCK, MISO, MOSI Vì khuyên bạn nên bố trí theo thứ tự để tiện việc kết nối với mạch ứng dụng (nhất bạn sử dụng loại chip làm mạch test bread board) Các mạch nạp STK200/300 mô tả hình Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR Hình Mạch nạp STK200/300 II Chương trình nạp PonyProg Chương trình nạp tiện giúp đổ file hex sau biên dịch vào chip thông qua mạch nạp Hầu hết công cụ lập trình cho AVR tích hợp sẵn chương trình nạp chip avrdude chương trình nạp miễn phí hỗ trợ nhiều loại mạch, tích hợp với WinAVR Tuy nhiên, chương trình nạp console (không có giao diện) nên sử dụng tương đối khó khăn cần nạp bit Fuse hay Lock Các phần mêm lập trình cho chip CodevisionAVR, ICCAVR, Bascom, có chương trình nạp riêng đa dễ sử dụng Nhưng công cụ thương mại nên bạn cần mua muốn sử dụng AVR Studio, tất nhiên, có chương trình nạp chip AVR Prog chương trình lại không hỗ trợ mạch nạp mà STK200/300 mà giới thiệu bên Cuối PonyProg, PonyProg hoàn hảo lựa chọn tối ưu để nạp mạch STK200/300 Đây chương trình nạp hoàn toàn miễn phí, hỗ trợ nhiều loại mạch nhiều dòng vi điều khiển (như AVR, PIC ), giao diện lại dễ sử dụng Trong phần dùng PonyProg để minh họa cho cách nạp chương trình vào AVR thông qua mạch nạp STK200/300 Download cài đặt PonyProg: bạn download miễn phí PonyProg website thức Lancos Cài đặt tiến hành setup phần mềm Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR Setup: Trước sử dụng PonyProg để nạp AVR bạn cần Setup số thông số cho phần mềm loại chip, loại mạch nạp Chạy PonyProg, chọn menu Device chọn loại chip mà bạn cần nạp (ví dụ "AVR micro/ ATmega32") Tiếp đến xác nhận loại mạch nạp giao diện cổng cách vào menu "Setup/Interface Setup" Với mạch nạp STK200/300, set thông số dialog "I/O Port setup" hình nhấn OK để xác nhận Setup Hình Setup port cho ponyProg Ghi fuse bits Lock bits: Ponyprog cho phép người dùng ghi đọc bit cấu hình chip fuse bits lock bits, để thực hiện, chọn menu "Command/Security and Configuration bits" hay đơn giản nhấn tổ hợp phím Ctrl+S Dialog xuất cho phép bạn cài đăt bit cấu hình cho chip (chọn bit mong muốn nhấn button write - xem thêm fuse bits để hiểu rõ chức bit này) Download chương trình vào chip: Hãy mở file chương trình cần nạp vào chip cách vào menu "File/Open Program (FLASH) file" nhấn nút công cụ "P" công cụ Nội dung file FLASH hiển thị cửa sổ Để nạp chương trình cho chip, vào menu "Command/Write Program(FLASH)" nhấn nút công cụ "Write Program Memory(FLASH)" công cụ Ngoài ra, PonyProg có nhiều chức khác đọc nội dung chip, xóa chip, kiểm tra với chức bạn tự khám phá sử dụng III Mạch nạp USB AVR910 Tuy mạch nạp STK200/300 đơn giản, dễ chế tạo có hạn chế mạch sử dụng cổng LPT làm cổng giao tiếp Trên số máy tính gần cổng LPT bị loại bỏ, thay vào cổng USB trở thành cổng giao tiếp thiếu máy tinh Một mạch nạp sử dụng cổng USB tiện lợi nhiều so với cổng LPT hay COM Có số dự án nghiên cứu chế tạo mạch nạp USB cho AVR, số có lẽ phổ biến mạch nạp AVR910 USB Prottoss Gọi mạch AVR910 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com nguyên lý nạp chương trình mạch áp dụng hướng dẫn application note 910 Atmel In-System Programming Mạch AVR910 USB điều khiển chip Master Atmega8, chip chứa firmware bên trong, firmware thực chức năng: thứ cầu chuyển USB-UART dựa thư viện Objective Development thứ hai điều khiển trình nạp theo "chuẩn" AVR910 Mạch nạp ARV910 USB không phức tạp cho bạn tự chế tạo, download công cụ cần thiết từ website Prottoss download trực tiếp thực theo dẫn bên Giải nén file rar vừa download bạn thấy có files bên File thứ sơ đồ mạch điện (file pdf), file thứ hai driver cho máy tính (file inf) file thứ firmware cho chip master ATmega8 (file hex - xem hình bên dưới) Chế tạo mạch: tham khảo sơ đồ mạch điện chế tạo mạch điện theo mạch nguyên lý file pdf hình bên Hình Sơ đồ mạch nạp AVR910 USB Prottoss Khi chế tạo mạch điện trên, bạn lưu ý số điểm sau: bỏ qua Jumper J1, J2 J3, nối trực tiếp chân 16 ATmega8 với điện trở R13 Nếu bạn Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com cách xác định thứ tự chân cổng USB dùng hồ đo điện áp, chân có điện áp dương (khoảng 5V) chân chân GND) Nạp firmware cho chip mega8: trước gắn chip mega8 vào mạch điện hình 5, bạn phải nạp firmware (file USB.910.Programmer.hex) vào chip mạch nạp mà bạn có (ví dụ mạch STK200/300) Chú ý bạn cần set fuse bit cho chip cho nguồn thạch anh 12MHz đươc sử dụng (hãy đặt bit BOOTZS0 BOOTSZ1 (checked), bit lại (bỏ trống) - tham khảo Fuse bits) Cài driver cho windows: sau chế tạo mạch nạp firmware cho chip master, bạn kết nối mạch nạp với cổng USB máy tính Một cách tự động, Windows nhận diện phần cứng kết nối yêu cầu cài đặt driver cho thiết bị Hãy browse đến thư mục chứa file driver inf mà bạn giải nén Quá trình cài driver bắt đầu, trình cài đặt Windows thông báo lỗi bạn nhấn "Continue anyway " để tiếp tục cài đặt đến hoàn tất Sau cài đặt driver cổng COM ảo xuất Hardware list bạn, mở tiện ích Device manager Windows để kiểm tra, ghi lại số cổng COM ảo (COM1, COM2, COM3 ) để khai báo chương trình nạp Sử dụng AVR910 USB: mạch nạp AVR910 USB hỗ trợ phần mềm nạp CodevisionAVR AVR Prog AVRStudio Kết nối mạch với máy tính, chạy AVRStudio chương trình nạp AVR Prog (vào menu Tools/AVR Prog) Trong mục Hex file browse đến file hex cần nạp cho chip, mục Device chọn loại chip AVR sau nhấn button Write mục Flash để nạp vào file hex vào chip Nếu muốn xác lập fuse bits hay lock bits, nhấn button Advance Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Nạp chip mạch nạp AVR910 USB AVR Prog Mạch ứng dụng AVR Mạch ứng dụng cho AVR mạch điện mà bạn cần thiết kế sử dụng chip AVR làm chip điều khiển Với mục đích học cách sử dụng chip AVR, cần chế tạo mạch ứng dụng AVR đơn giản với số thành phần Hình giới thiệu mạch ứng dụng đơn giản cho chip ATmega32 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Mạch ứng dụng đơn giản cho AVR Một số thành phần mạch: - Mạch tạo nguồn: chip 7805 tụ điện dùng để tạo nguồn 5V ổn định cho mạch ứng dụng - Các chân nguồn cho chip: bạn cần cấp nguồn mass cho chip, bạn phải nối chân VCC (chân 10 cho chip ATmega32), AVCC (chân 30) với nguồn VCC, nối chân GND AGND với mass - Các đường nạp chip: dành sẵn đường để kết nới với mạch nạp mà không cần tháo chip khỏi mạch ứng dụng Bạn nên bố trí đường theo thứ tự mà mạch nạp bạn bố trí (ví dụ GND, VCC, RESET, SCK, MISO, MOSI) - Bộ tạo dao động - Thạch anh (Crystal): nguồn xung giữ nhịp "nuôi" chip, xung giữ nhịp chip không hoạt động Tuy nhiên, đa số chip AVR hỗ trợ nguồn xung giữ nhịp bên với tần số tối ta 8MHz Nếu bạn thấy không cần thiết đến tần số hoạt động cao bạn dùng nguồn xung giữ nhịp chip, bạn bỏ qua tạo xung (gồm thạch anh tụ điện hình) Việc chọn nguồn xung "nuôi" chip xác lập Fuse bits, bạn cần đọc tài liệu fuse bits cho AVR Set Fuse Bits Một ý khác dòng chip ATmega, fuse Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com bits set mặc định để sử dụng nguồn xung nội 1MHz, với chip này, mua bạn không cần dùng thạch anh Nhưng bạn set fuse bits để chọn nguồn xung không bỏ qua mạch thạch anh (Các chip AT90S mặc định lấy nguồn xung ngoài) - Chân AREF chân điện áp tham chiếu cho ADC, chế độ tham chiếu nội dùng, bạn nối AREF với tụ điện hình Đối với chip AVR khác, bạn tạo mạch ứng dụng theo cách tương tự mạch điện Hình mô tả cách tự tạo mạch AVR đơn giản breadboard cho chip ATmega32 (dùng thạch anh nội) Hình Mạch ứng dụng đơn giản cho ATmega32 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 10 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Mạch cầu H Nội dung Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) Mạch cầu H dùng rờ le Mạch cầu H dùng BJT công suất Mạch cầu H dùng MOSFET Các cần tham khảo trước I Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) Giả sử bạn có động DC có đầu A B, nối đầu dây với nguồn điện DC (ắc qui điện – battery) Ai biết nối A với cực (+), B với cực (-) mà động chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) đảo cực đấu dây (A với (-), B với (+)) động đảo chiều quay Tất nhiên bạn “control guy” bạn không muốn làm công việc “động tay động chân” (đảo chiều đấu dây), bạn nghĩ đến mạch điện có khả tự động thực việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) giúp bạn Như thế, mạch cầu H mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua đối tượng Tuy nhiên, bạn thấy, mạch cầu H tác dụng “tầm thường” Nhưng lại gọi mạch cầu H, đơn giản mạch có hình chữ H Xem minh họa hình Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 11 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR Hình Mạch cầu H Trong hình 1, xem đầu V GND đầu (+) (-) ắc qui, “đối tượng” động DC mà cần điều khiển, “đối tượng” có đầu A B, mục đích điều khiển cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B B đến A Thành phần tạo nên mạch cầu H “khóa” L1, L2, R1 R2 (L: Left, R:Right) Ở điều kiện bình thường khóa “mở”, mạch cầu H không hoạt động Tiếp theo khảo sát hoạt động mạch cầu H thông qua hình minh họa 2a 2b Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 12 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Nguyên lý hoạt động mạch cầu H Giả sử cách (cái cách nhiệm vụ người thiết kế mạch) mà khóa L1 R2 “đóng lại” (L2 R1 mở), bạn dễ dàng hình dung có dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A xuyên qua đối tượng đến đầu B trước qua khóa R2 GND (như hình 2a) Như thế, với giả sử có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B Bây giả sử khác R1 L2 đóng L1 R2 mở, dòng điện lại xuất lần chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A hình 2b (V->R1->B->A>L2->GND) Vậy rõ, dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) “một cách đó” Chuyện xảy đóng đồng thời khóa bên (L1 L2 R1 R2) chí đóng khóa? Rất dễ tìm câu trả lời, tượng “ngắn mạch” (short circuit), V GND gần nối trực tiếp với hiển nhiên ắc qui bị hỏng nguy hiểm cháy nổ mạch xảy Cách đóng khóa điều “đại kị” mạch cầu H Để tránh việc xảy ra, người ta thường dùng thêm mạch logic để kích cầu H, biết rõ mạch logic phần sau Giả thiết cuối trường hợp khóa phần phần đóng (ví dụ L1 R1 đóng, L2 R2 mở) Với trường hợp này, đầu A, B “đối tượng” nối với mức điện áp dòng điện chạy qua, mạch cầu H không hoạt động Đây coi cách “thắng” động (nhưng lúc có tác dụng) Nói chung, nên tránh trường hợp xảy ra, muốn mạch cầu không hoạt động nên mở tất khóa thay dùng trường hợp Sau nắm nguyên lý hoạt động mạch cầu H, phần khảo sát cách thiết kế mạch loại linh kiện cụ thể Như Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 13 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR trình bày phần trước, thành phần mạch cầu H “khóa”, việc chọn linh kiện để làm khóa phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ đối tượng hiểu biết, điều kiện người thiết kế Nhìn chung, khóa mạch cầu H thường chế tạo rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) Phần thiết kế mạch cầu H tập trung vào loại linh kiện Trong cách thiết kế, giải thích ngắn gọn nguyên lý cấu tạo hoạt động loại linh kiện để bạn đọc dễ nắm bắt II Mạch cầu H dùng rờ le Rờ le dạng “công tắc” (switch) điện (electrical mechanical device, điện tử đâu :) ) Gọi công tắc điện chúng gồm tiếp điểm điều khiển đóng mở dòng điện Với khả đóng mở tiếp điểm, rờ le lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H Thêm chúng lại điều khiển tín hiệu điện, nghĩa dùng AVR (hay chip điều khiển nào) để điều khiển rờ le, qua điều khiển mạch cầu H Hãy quan sát cấu tạo hình dáng loại rờ le thông dụng hình Hình Cấu tạo hình dáng rờ le Hình 3a (phía trên) mô tả cấu tạo rờ le tiếp điểm Có cực rờ le Cực C gọi cực chung (Common), cực NC tiếp điểm thường đóng (Normal Closed) NO tiếp điểm thường mở (Normal Open) Trong điều kiện bình thường, rờ le không hoạt động, lực kéo lò xo bên trái nam châm tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành kết nối C NC, NC gọi tiếp điểm thường đóng (bình thường đóng) Khi điện áp áp vào đường kích Solenoid (cuộn dây nam châm điện), nam châm điện tạo lực từ kéo nam châm xuống, lúc nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành kết nối C NO Hoạt động tương tự công tắc chuyển điều khiển điện áp kích Solenoid Một Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 14 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com đặc điểm quan trọng cách hoạt động “đóng – mở” rờ le tính “cách li” Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với tiếp điểm rờ le, an toàn Có thông số quan trọng cho rờ le điện áp kích Solenoid dòng lớn mà điểm điểm chịu Điện áp kích solenoid thường 5V, 12V 24V, việc kích solenoid công việc chip điều khiển (ví dụ AVR) Vì tiếp xúc cực C tiếp điểm dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên dễ bị hở mạch Nếu dòng điện qua tiếp điểm lớn, nhiệt sinh lớn làm hở tiếp xúc Vì cần tính toán dòng điện tối đa ứng dụng để chọn rờ le phù hợp Hình 3a (phía dưới) ký hiệu rờ le mà bạn gặp phần mềm thiết kế mạch điện tử Trong ký hiệu này, chân chân C, chân tiếp điểm NC chân tiếp điểm NO, hai chân đầu cuộn solenoid Chúng ta dùng ký hiệu vẽ mạch cầu H dùng rờ le Sơ đồ mạch cầu H đầu đủ dùng rờ le minh họa hình Hình Mạch cầu H dùng rờ le Trong mạch cầu H dùng rờ le hình 4, diode dùng để chống tượng dòng ngược (nhất điều khiển động cơ) Các đường kích solenoid không nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua transistor, việc kích transistor lại thực qua điện trở Tạm thời gọi tổ hợp điện trở + transistor “mạch kích”, giải thích rõ hoạt động mạch kích phần Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt thay rờ le linh kiện tương đương contactor, dòng điện tải lên đến hàng trăm ampere Tuy nhiên, thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở rờ le chậm, đóng mở nhanh dẫn đến tượng “dính” tiếp điểm hư hỏng Vì Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 15 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR vậy, mạch cầu H rờ le không dùng phương pháp điều khiển tốc độ động PWM Trong phần tìm hiểu linh điện thay rờ le mạch cầu H, gọi “khóa điện tử” với khả đóng/mở lên đến hàng nghìn triệu lần giây II Mạch cầu H dùng BJT công suất BJT viết tắt từ Bipolar Junction Transistor linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có cực tương ứng với lớp bán dẫn cấu tạo Trong tất tài liệu điện tử giải thích bán dẫn BJT, tài liệu giới thiệu khái quát cấu tạo transistor chủ yếu chế độ hoạt động transistor Bán dẫn nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si) ví dụ điển hình, nguyên tố có electron lớp Ở trạng thái thường, Si chất dẫn điện (gần không dẫn điện), nhiệt độ tăng, electron dao động mạnh dễ dàng bị “bứt” khỏi tinh thể tính dẫn điện bán dẫn tăng Tuy nhiên, bán dẫn dùng để chế tạo linh kiện điện tử tinh thể khiết mà có pha “tạp chất” Nếu pha nguyên tố nhóm V (như Photpho) vào Si, electron lớp P tạo liên kết công hóa trị với Si có electron P bị “thừa” (vì P có electron lớp cùng) Chất bán dẫn có pha Photpho dễ dẫn điện có tính chất “âm” nên gọi bán dẫn loại n (Negative), “hạt dẫn” bán dẫn loại n electron (e thừa) Trường hợp nguyên tố nhóm III, Bo (Boron), pha vào Si, electron lớp Bo kết hợp với electron Si nhiên “chỗ trống” sẵn sàng nhận electron “Chỗ trống” gọi “lỗ trống” có tính chất loại hạt dẫn dương Bán dẫn loại gọi bán dẫn loại p (Positive) Mức độ pha tạp chất định độ dẫn bán dẫn Tuy nhiên, bán dẫn có pha tạp chất dù cải thiện tính dẫn điện nhiều tác dụng, “điều kỳ diệu” xảy ghép chúng lại với Khi ghép bán dẫn loại p loại n với tạo thành tiếp xúc p-n (p-n junction), diode Đặc điểm tiếp xúc p-n có dòng điện chạy qua theo chiều từ p sang n Khi ghép lớp bán dẫn tạo thành transistor, phụ thuộc vào thứ tự bán dẫn ghép có transistor npn hay pnp Tôi chọn transistor npn để giải thích hoạt động transistor loại dùng phổ biến ứng dụng điều khiển (và mạch cầu H) Hình mô hình ký kiệu transistor npn Hình Transistor npn Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 16 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Ba lớp bán dẫn n, p n kết hợp tạo thành cực C (cực thu-Collector), cực B (nền – Base) cực E (phát – Emitter) Tùy theo cách mắc transistor mà người ta có loại phân cực khác nhau, hình trình bày cách phân cực mà dùng sau này, phân cực E chung (CE- Common Emitter) Hình Phân cực E chung cho npn BJT Tuy tạo nên từ bán dẫn tạp chất nồng độ tạp chất lớp npn BJT khác Lớp E “giàu” hạt dẫn, lớp C lớp B lại hạt dẫn mỏng Khi điện áp cực B lớn điện áp cực E, tiếp xúc p-n B E phân cực thuận Dòng electron từ E (vốn có nhiều cách pha tạp chất) ạt “chảy” B, lớp B (bán dẫn loại p) vốn mỏng nghèo hạt dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E “tràn” qua cực C nguồn Vc mô tả hình Chú ý hình vẽ chiều di chuyển chiều dòng electron, chiều dòng điện ngược lại (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều electron) Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B gây dòng điện từ cực C E Quan hệ dòng điện sau: IE=IB+IC (1) Một đặc điểm thú vị dòng electron tràn qua cực C tỉ lệ với dòng electron đến cực B mối quan hệ sau: IC=hfeIB (2) Thông số hfe gọi hệ số khuyếch đại tĩnh (DC Current Gain) BJT số ghi nhà sản xuất, đặc tính để phân biệt loại BJT, gái trị thường lớn, từ vài chục đến vài trăm Chính đặc điểm mà transistor dùng linh kiện “khuyếch đại” Hãy quan sát phần mạch điện bên phải hình (phía Vc), giả sử đoạn CE BJT “điện trở”, xem lại công thức (2), tăng dòng điện IB dòng IC tăng theo điện trở RC nguồn VC lại không đổi, rõ ràng “điện trở EC” giảm Nói cách khác, dòng IB làm giảm điện trở cực CE BJT Tiếp tực tăng IB điều xảy ra, điện trở cực CE giảm đến giá trị nhỏ (thường gần 0, giá trị ghi datasheet loại BJT) Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần cố định (VC, RC, RCE) nên dòng IC đạt giá trị max gần không thay đổi cho dù có tăng IB Quan hệ IB IC không công thức (2) Hiện tượng gọi bão hòa, tượng quan trọng Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 17 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com transistor, sở cho phát triển mạch điện tử số (điều giải thích người ta hay đề cập đến số lượng transistor chip số, vi xử lí cho máy tính chẳng hạn) Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa ICmax < hfeIB Khi BJT bão hòa hoạt động “khóa điện tử”, xem hình Hình Khóa điện tử BJT Giả sử mạch điện hình RB=330, RC=10K , hệ số khuyếch đại tĩnh transistor 100 Khi điện áp ngõ vào Vi=0V, BJT không hoạt động, dòng điện qua RC (hoặc nhỏ), điện áp ngõ Vo=12V Khi Vi kích kích điện áp 5V, dòng IB=(5 - 0.7)/330=0.013A 0.7 điện áp rơi BE Dòng IC đạt giá trị lớn VCE=0V, ICmax =12/10K=0.0012A Rõ ràng IC < hfeIB BJT bão hòa Khi BJT bão hòa, VCE=0V ngõ Vo “nối” với GND nên Vo=0V Tóm lại, cách thay đổi mức điện áp Vi từ 0V sang 5V, điện áp ngõ “switch” từ 12V sang 0V Hoạt động BJT bão hòa gọi khuyếch đại điện áp Vì chế độ bão hòa, BJT dùng làm khóa điện tử mạch cầu H Bạn dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động BJT 2N3904 dùng mạch cầu H hình Mạch điện hình gọi E chung Mạch E chung BJT hoạt động tốt chế độ khóa điện tử Nếu chúng thay điện trở động mạch tương đương với phần phía mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 R2 hình 1) Câu hỏi đặt dùng thêm BJT npn để làm phần mạch cầu H Hãy xét mạch điện hình Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 18 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR Hình Mạch C chung Mạch điện hình gọi mạch C chung, điểm khác biệt mạch điện so với hình điện trở RC dời xuống phía cực E nên gọi RE Không cần khảo sát phần cực C khảo sát mạch Vi -> B ->E -> RE -> GND Khi Vi=5V, điện áp rơi BE 0.7V (đặc điểm tiếp xúc pn dẫn điện) nên điện áp rơi điện trở RE 4.3V điện áp cực C 12V, điện áp cực CE 12 - 4.3 = 7.7V Điều hiểu CE có “điện trở” lớn, “khóa điện tử” không hoạt động tốt mạch C chung Nếu RE motor DC loại 12V rõ ràng motor không hoạt động tốt điện áp rơi có 4.3V Mặc khác điện áp CE lớn gây hỏng BJT Vì lí bạn dùng BJT npn làm phần mạch cầu H, BJT mau hỏng (rất nóng) mạch không hoạt động tốt Như vậy, ý thiết kế khóa điện tử dùng BJT “tải” phải đặt phía BJT tức nên dùng mạch E chung hình Quay lại mạch cầu H, giải pháp để vượt qua nhược điểm đề cập sử dụng BJT loại pnp cho phần mạch cầu H Nguyên lý hoạt động BJT pnp na ná npn chiều dòng điện ngược lại Với khóa điện tử dùng BJT loại pnp, để kích khóa điện áp cực B kéo xuống thấp thay kéo lên cao hình Chúng ta khảo sát một ví dụ hình Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 19 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình Mạch E chung dùng BJT pnp Mũi tên ký hiệu BJT pnp hướng từ E vào B, ngược lại với BJT npn Nếu điện áp Vi=12V=VE ngõ Vi không kết nối BJT không hoạt động, dòng điện qua RC dòng IB =0 nên dòng IC =0 Khi Vi=0V dòng IB xuất xuất dòng IC (từ cực E) , dòng IB đủ lớn gây bão hòa BJT điện áp VEC gần 0V hay điện áp rơi RC gần 12V, khóa hoạt động tốt Do đó, BJT pnp thường dùng làm phần mạch cầu H Một điều thú vị mạch điện hình mạch E chung Có lẽ đến lúc di thiết kết mạch cầu H hoàn chỉnh dùng BJT Trong hình 10 giới thiệu cách thiết kế, cách dùng mạch việc giải thích ví dụ điều khiển (nếu có) Bạn “chế” lại tùy thích đảm bảo tất BJT phải rơi vào trạng thái bão hòa kích Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 20 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình 10 Mạch cầu H dùng BJT Tôi chọn loại BJT công suất trung bình TIP41C TIP42C để làm mạch cầu Điện áp cao mà loai BJT chịu 100V dòng tối đa 6A (chỉ danh nghĩa, thực tế thấp hơn) BJT npn TIP41C kích trực tiếp, riêng BJT pnp TIP42C cần dùng thêm BJT loại npn 2N3904 làm “mạch kích” Khi điện áp ngõ L1 mức thấp, BJT Q0-1 không hoạt động, không tồn dòng IC BJT này, nghĩa dòng IB BJT Q1, Q1 không hoạt động tương đương khóa Q1 mở Khi L1 kéo lên mức cao, 5V, BJT Q0-1 bão hòa (mạch E chung), dòng IC Q0-1 xuất dòng IB BJT Q1 Q1 bão hòa tương đương khóa đóng Như vậy, dùng mức điện áp chuẩn 0V 5V để kích BJT dùng mạch cầu H cho dù điện áp nguồn lên vài chục hay trăm Volt Các đường L1, L2, R1 R2 vi điều khiển (AVR) điều khiển Do BJT kích tốc độ cao nên chức đảo chiều, mạch cầu H dùng BJT dùng điều khiển tốc độ motor cách áp tín hiệu PWM vào đường kích (thảo luận sau) Nhược điểm lớn mạch cầu H dùng BJT công suất BJT thường nhỏ, với motor công suất lớn BJT sử dụng Mạch điện kích cho BJT cần tính toán kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, không hỏng BJT Mặt khác, điện trở CE BJT bão hòa tương đối lớn, BJT bị nóng…Trong phần giới thiệu loại linh kiện khác thường dùng làm mạch cầu H, MOSFET Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 21 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR IV Mạch cầu H dùng MOSFET MOSFET viết tắt cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại oxit bán dẫn Hình 11 mô tả cấu tạo MOSFET kênh n ký hiệu loại MOSFET kênh n kênh p Hình 11 MOSFET MOSFET có chân gọi Gate (G), Drain (D) Source (S) tương ứng với B, E C BJT Bạn nguyên lý hoạt động MOSFET tài liệu điện tử, mô tả kích hoạt MOSFET Cơ bản, MOSFET kênh N, điện áp chân G lớn chân S khoảng từ 3V MOSFET bão hòa hay dẫn Khi điện trở chân D S nhỏ (gọi điện áp dẫn DS), MOSFET tương đương với khóa đóng Ngược lại, với MOSFET kênh P, điện áp chân G nhỏ điện áp chân S khoảng 3V MOSFET dẫn, điện áp dẫn nhỏ Vì tính dẫn MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET gọi linh kiện điều khiển điện áp, lý tưởng cho mạch số nơi mà điện áp dùng làm mức logic (ví dụ 0V mức 0, 5V mức 1) MOSFET thường dùng thay BJT mạch cầu H dòng mà linh kiện bán dẫn dẫn cao, thích hợp cho mạch công suất lớn Do cách thức hoạt động, hình dung MOSFET kênh N tương đương BJT loại npn MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp Thông thường nhà sản xuất MOSFET thường tạo cặp MOSFET gồm linh kiện kênh N linh kiện kênh P, MOSFET có thông số tương đồng thường dùng Một ví dụ dùng MOSFET tương đồng mạch số CMOS (Complemetary MOS) Cũng giống BJT, dùng MOSFET cho mạch cầu H, loại MOSFET thích hợp với vị trí định, MOSFET kênh N dùng cho khóa phía MOSFET kênh P dùng cho khóa phía Để giải thích, ví dụ MOSFET kênh N dùng điều khiển motor DC hình 12 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 22 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình 12 Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC Ban đầu MOSFET ko kích, ko có dòng điện mạch, điện áp chân S Khi MOSFET kích dẫn, điện trở dẫn DS nhỏ so với trở kháng motor nên điện áp chân S gần điện áp nguồn 12V Do yêu cầu MOSFET, để kích dẫn MOSFET điện áp kích chân G phải lớn chân S 3V, nghĩa 15V dùng vi điều khiển để kích MOSFET, khó tạo điện áp 15V Như MOSFET kênh N không phù hợp để làm khóa phía mạch cầu H (ít theo cách giải thích trên) MOSFET loại P thường dùng trường hợp Tuy nhiên, nhược điểm MOSFET kênh P điện trở dẫn DS lớn MOSFET loại N Vì thế, dù thiết kế tốt, MOSFET kênh P mạch cầu H dùng loại MOSFET thường bị nóng dễ hỏng MOSFET loại N, công suất mạch bị giảm phần Hình 13 thể mạch cầu H dùng loại MOSFET tương đồng Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 23 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình 13 Mạch cầu H dùng MOSFET Tôi dùng MOSFET kênh N IRF540 kênh P IRF9540 hãng International Rectifier làm khóa cho mạch cầu H Các MOSFET loại chịu dòng cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) điện áp cao có nhược điểm điện trở dẫn tương đối cao (bạn tìm đọc datasheet chúng để biết thêm) Phần kích cho MOSFET kênh N bên không khó, cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào đường L2 hay R2 Riêng khóa (IRF9540, kênh P) phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G MOSFET nối lên VS điện trở 1K, điện áp chân G gần VS điện áp chân S IRF9540 nên MOSFET không dẫn Khi kích line L1 R1, BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G IRF9540 sụt xuống gần 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch) Khi đó, điện áp chân G nhỏ nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn Vi điều khiển dùng để kích đường L1, L2, R1 R2 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 24 [...]... chiều đấu dây), bạn ắt sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động thực hiện việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn Như thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng “tầm thường” như thế Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này có hình chữ cái H Xem minh họa... phần trên của mạch cầu H Hãy xét mạch điện trong hình 8 Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 18 Thanhtam Ho - www.hocavr.com Copyright © 2010 Cùng học AVR Hình 8 Mạch C chung Mạch điện trong hình 8 gọi là mạch C chung, điểm khác biệt duy nhất của mạch điện này so với hình 7 là điện trở RC được dời xuống phía dưới cực E nên gọi là RE Không cần khảo sát phần cực C hãy khảo sát mạch Vi ->... BJT có thể được dùng làm các khóa điện tử trong mạch cầu H Bạn hãy dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động của 4 BJT 2N3904 dùng trong mạch cầu H ở hình 4 Mạch điện trong hình 7 gọi là E chung Mạch E chung của BJT hoạt động rất tốt trong chế độ khóa điện tử Nếu chúng thay điện trở bằng động cơ thì mạch này tương đương với phần phía dưới của mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 hoặc R2...Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Mạch cầu H Nội dung 1 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) 2 Mạch cầu H dùng rờ le 3 Mạch cầu H dùng BJT công suất 4 Mạch cầu H dùng MOSFET Các bài cần tham khảo trước I Mạch cầu H (H-Bridge Circuit) Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn điện DC (ắc... khóa hoạt động rất tốt Do đó, BJT pnp thường được dùng làm phần trên trong các mạch cầu H Một điều thú vị là mạch điện trong hình 9 cũng là một mạch E chung Có lẽ đã đến lúc chúng ta di thiết kết một mạch cầu H hoàn chỉnh dùng BJT Trong hình 10 tôi giới thiệu một cách thiết kế, đây không phải là cách duy nhất nhưng tôi sẽ dùng mạch này trong việc giải thích và ví dụ điều khiển (nếu có) Bạn có thể “chế”... chân 2 là tiếp điểm NC và chân 3 là tiếp điểm NO, trong khi đó hai chân 4 và 5 là 2 đầu của cuộn solenoid Chúng ta sẽ dùng ký hiệu này khi vẽ mạch cầu H dùng rờ le Sơ đồ một mạch cầu H đầu đủ dùng rờ le được minh họa trong hình 4 Hình 4 Mạch cầu H dùng rờ le Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ) Các đường kích solenoid không... BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo Trong tất cả các tài liệu về điện tử cơ bản đều giải thích về bán dẫn và BJT, trong tài liệu này tôi chỉ giới thiệu khái quát cấu tạo của transistor và chủ yếu là các chế độ hoạt động của transistor Bán dẫn là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần... thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua các hình minh họa 2a và 2b Created by QuocHuy Hoang huyhq.fet.hut@gmail.com Page 12 Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com Hình 2 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết kế mạch) mà 2 khóa L1 và R2... circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra Cách đóng các khóa như thế này là điều “đại kị” đối với mạch cầu H Để tránh việc này xảy ra, người ta thường dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết rõ hơn về mạch logic này trong các phần sau Giả thiết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên cùng... mạch C chung Nếu RE là một motor DC loại 12V thì rõ ràng motor không hoạt động tốt vì điện áp rơi trên nó chỉ có 4.3V Mặc khác điện áp CE quá lớn có thể gây hỏng BJT Vì lí do này nếu bạn dùng BJT npn làm phần trên của mạch cầu H, BJT này sẽ rất mau hỏng (rất nóng) và mạch không hoạt động tốt Như vậy, một chú ý khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT là “tải” phải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch ... đồ mạch nạp STK200/300 đầy đủ Như quan sát hình 2, việc nạp ISP cho AVR thường thực thông qua đường nạp bản, GND, VCC, RESET, SCK, MISO MOSI Khi chế tạo mạch nạp, bạn phải ý thứ tự đường nạp. .. Mạch nạp STK200/300 II Chương trình nạp PonyProg Chương trình nạp tiện giúp đổ file hex sau biên dịch vào chip thông qua mạch nạp Hầu hết công cụ lập trình cho AVR tích hợp sẵn chương trình nạp. .. máy tinh Một mạch nạp sử dụng cổng USB tiện lợi nhiều so với cổng LPT hay COM Có số dự án nghiên cứu chế tạo mạch nạp USB cho AVR, số có lẽ phổ biến mạch nạp AVR910 USB Prottoss Gọi mạch AVR910
Ngày đăng: 28/11/2015, 06:53
Xem thêm: TÀI LIỆU MẠCH nạp
