08 giao trinh ky thuat dien dien tu

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Môn đun: Kỹ thuật điện – điện tử NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ ( Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25/2/2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề ) Hà Nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thông tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MÃ TÀI LIỆU: MĐ 08 LỜI GIỚI THIỆU Trong năm qua, dạy nghề có bước tiến vượt bậc số lượng chất lượng, nhằm thực nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật trực tiếp đáp ứng nhu cầu xã hội Cùng với phát triển khoa học công nghệ giới, lĩnh vực công nghệ thông tin nói chung ngành Quản Trị Mạng Việt Nam nói riêng có bước phát triển đáng kể Chương trình khung quốc gia nghề quản trị mạng xây dựng sở phân tích nghề, phần kỹ thuật nghề kết cấu theo mô đun/ môn học Để tạo điều kiện thuận lợi cho sở dạy nghề trình thực hiện, việc biên soạn giáo trình kỹ thuật nghề theo theo mô đun/ môn học đào tạo nghề cấp thiết Môn đun: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử môn học cung cấp kiến thức kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung số giúp sinh viên dễ dàng việc tiếp cận với thiết bị điện tử thiết bị mạng Hiểu nguyên lý làm việc Trong trình biên soạn nhóm tham khảo tài liệu khác, tổng hợp để đưa đến giáo trình Mặc dầu có nhiều cố gắng, không tránh khỏi khiếm khuyết, mong nhận đóng góp ý kiến độc giả để giáo trình hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ biên Nguyễn Thị Diệu Phương Nguyễn Thị Thanh Thuý MỤC LỤC MÔN ĐUN: KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Mã mô đun: MĐ 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò mô đun: - Vị trí: Môn đun bố trí sau sinh viên học xong môn học chung, trước môn học/ mô đun đào tạo sở nghề - Tính chất: Là mô đun lý thuyết chuyên ngành - Ý nghĩa, vai trò: Môn đun cung cấp khái niệm điện, điện tử Cách nhận biết, kiểm tra hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử Nguyên lý hoạt động mạch điện tử mạch xung số máy tính, thiết bị điện tử, thiết bị mạng Mục tiêu mô đun: - Trình bày xác khái niệm, kí hiệu qui ước, tính chất, nguyên lý làm việc tượng điện điện tử phạm vi sử dụng linh kiện điện tử thông dụng; - Trình bày xác định luật, đại lượng mạch điện; - Nhận diện, kiểm tra hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử; - Chọn lựa, sử dụng chủng loại mỏ hàn thực hàn mối hàn tốt không gây hư hỏng linh kiện điện tử; - Lắp mạch điện, điện tử bản; - Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho người phương tiện học tập Nội dung mô đun: Số TT I Tên Loại Thời gian Thực Tổng Lý dạy hành số thuyết Bài tập Bài 1: Các khái niệm LT+ định luật mạch TH điện 13 Điện tích 1 Mạch điện đại lượng đặc trưng Các định luật mạch điện 3 Kiểm tra * II Bài 2: Linh kiện điện tử 33 11 20 3 Cuộn cảm Diode Transistor 14 Thyristor 2 Bài 3: Các module chức LT+ TH 27 17 Module BCD Module Mux Module D/A Module Resgistor Module Rom Bài 4: Các mạch điện tử LT+ ứng dụng TH 2 2 17 12 10 90 30 56 Điện trở Tụ điện III IV Mạch FLIP_FLOP Mạch đếm Cộng LT+ TH 1 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mã bài: MĐ 08.01 Giới thiệu: Mạch điện khái niệm quan trọng sử dụng rộng rãi điện- điện tử nói chung, học sinh cần có kiến thức khái niệm định luật mạch điện để phân tích, nghiên cứu mạch điện Mục tiêu: - Trình bày khái niệm bản, định luật mạch điện; - Ứng dụng định luật để phân tích mạch điện bản; - Thực thao tác an toàn với mạch điện tử Nội dung chính: 1.Điện tích Mục tiêu: Biết được khái niệm điện tích lực tương tác giữa chúng 1.1 Cơ sở vật chất Nguyên tử hạt cấu tạo nên vật chất, đơn vị nhỏ có đầy đủ tính chất chất Chúng có khối lượng, kích thước nhỏ bé có cấu tạo phức tạp Cấu tạo nguyên tử gồm: • Hạt nhân: Tích điện dương (+), chiếm gần trọn khối lượng nguyên tử, chứa hạt chủ yếu proton neutron • Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (-), khối lượng không đáng kể, chứa hạt electron Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử Bình thường số lượng điện tích dương nhân số lượng điện tích âm điện tử bao quanh, người ta nói nguyên tử trung hòa điện 1.2 Định luật Coublong lực tương tác hai điện tích Những vật nhiễm điện gọi điện tích Có loại điện tích: điện tích dương điện tích âm Các điện tích dấu đẩy điện tích trái dấu hút Những vật nhiễm điện có kích thước nhỏ ta gọi chúng điện tích điểm Định luật Coublong: Độ lớn lực tương tác hai điện tích điểm tỉ lệ với tích độ lớn hai điện tích tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng Phương lực tương tác hai điện tích điểm đường thẳng nối hai điện tích điểm Hai điện tích điểm dấu đẩy nhau, hai điện tích điểm khác dấu hút Biểu thức: Trong đó: k: hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hệ đơn vị, hệ SI: q1 q2: điện tích (C) r: khoảng cách q1 q2 (m2) ɛ: Hằng số điện môi môi trường (Chân ɛ = 1) Hằng số điện môi môi trường cho biết: đặt điện tích môi trường lực tương chúng giảm lần so với chúng đặt chân không Mạch điện đại lượng đặc trưng Mục tiêu: Biết được khái niệm, công thức, mối quan hệ giữa đại lượng đặc trưng mạch điện 2.1.Dòng điện Dòng diện dòng electron tự chuyển dời theo hướng vật dẫn điện lực hút vật mang điện tích dương lực đẩy vật mang điện tích âm Đại lượng đặc trưng cho dòng điện cường độ dòng điện Cường độ dòng điện qua bề mặt lượng electron di chuyển qua bề mặt đơn vị thời gian, hay nói cách khác cường độ dòng điện tỉ số điện tích Q lượng electron di chuyển thời gian t Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe (A) Ta có công thức: Q: điện tích (culông - C) I: cường độ dòng điện (ampe - A) t: thời gian (giây- s) Tuy nhiên, mạch điện tử cường độ dòng điện có trị số A lớn nên người ta thường dùng ước số A là: 1mA = 10-3 A µA = 10-3 mA = 10-6 A 2.2 Điện áp Khái niệm điệp áp rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu số điện hai điểm khác mạch điện Thường điểm mạch chọn làm điểm gốc có điện (điểm nối đất) Khi đó, điện điểm khác mạch có giá trị dương hay âm mang so sánh với điểm gốc hiểu điện áp điểm tương ứng Trong hệ SI, điện áp có đơn vị voltage (V) 1KV = 103 V 1V = 103 mV 1mV = 103 µA 2.3 Nguồn điện Nguồn điện chiều nguồn điện phát dòng điện chiều, dòng điện có chiều xác định Các nguồn điện chiều là: pin, ắc quy, hay chỉnh lưu Dung lượng điện áp nạp chứa nguồn gọi điện lượng Kí hiệu Q, đơn vị Ampe (Ah) Thời gian sử dụng nguồn tùy thuộc cường độ dòng điện tiêu thụ, tính theo công thức: Q: điện lượng (Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (h) a Pin 10 Có nhiều loại pin, có hai loại pin thông dụng pin khô (không nạp lại được) pin Nicken- Cadmi (Ni- Cd), loại pin có khả nạp lại nhiều lần • Pin khô có cỡ, thường gọi là: + Pin đại có V = 1,5V; Q = 4Ah + Pin trung có V = 1,5V; Q = 2,5Ah + Pin tiểu có V = 1,5V; Q = 0,5Ah • Pin Nicken- Cadmi (Ni- Cd) có điện áp 1,2V điện lượng lớn hay nhỏ tùy thuộc kích thước pin b Ắc quy Có hai loại ắcquy ắcquy chì ắcquy kiềm: • Ắcquy chì có điện cực chì nhúng dung dịch axít sunfuric (H2SO4) • Ắcquy kiềm có điện cực làm sắt kền, nhúng dung dịch Pôtáthidroxit (KOH) Mỗi đơn vị ắcquy (mỗi hộc) có điện áp 2V, có nhiều hộc ghép nối tiếp Ắcquy có khả nạp lại nhiều lần có tuổi thọ 1- năm tùy chất lượng cách sử dụng 3.Các định luật mạch điện Mục tiêu: Biết được định luật bản mạch điện áp dụng công thức để tính toán đại lượng đặc trưng mạch điện (dòng điện, điện áp,…) 3.1 Định luật Ohm Định luật: Cường độ dòng điện đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch tỷ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch Công thức: Trong đó: I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện hai đầu đoạn mạch (V) R: điện trở đoạn mạch (Ω) 158 d Người ta dùng DFF JKFF, loại có đầu vào đặt trước S đầu vào xoá R không đồng (ví dụ IC họ CMOS HEF 4013B có hai DFF, IC HEF 4027B gồm JKFF) để tạo thành mạch phát xung đơn (mạch đa hài đơn ổn) Hình 4.10b, c tương ứng sơ đồ mạch phát xung đơn dùng DFF dùng JKFF, với R2>> R1 Xét mạch hình 4.9b Ở trạng thái tĩnh, xung kích thích đưa tới đầu vào đồng C DFF, đầu Q nhằm ổn định mức thấp L ≈ 0V Đặt kích thích bước nhảy đương vào dấu C, ta có Q = D = mức cao H = điện áp nguồn cung cấp đặt cố định đầu D Tụ C nạp điện từ mức điện áp cao H Q qua điện trở R1, R2 Điện áp tụ tăng dần, phụ thuộc số thời gian nạp Khi điện áp tụ đạt giá trị mà đầu xoá không đồng R yêu cầu, đầu Q quay trở lại mức thấp ổn định L Tụ C phóng điện qua diode điện trở R1 Vậy, với kích thích đầu vào C, mạch cho hai đầu Q hai xung đơn ngược Điện trở R1 nhằm hạn chế phóng nhanh tụ C với phóng lớn Thường R1 chọn khoảng vài KΩ trở xuống Hoạt động mạch hình 4.10c tương tự trình bày 159 160 Hình 4.10 Dùng Flip Flop để chia đôi tần số tạo mạch phát xung đơn Bộ đếm Mục tiêu: - Cung cấp khái niệm, phân loại đếm; - Tìm hiểu ứng dụng đếm Nội dung: 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Định nghĩa Bộ đếm mạch logic gồm dãy FlipFlop ghép nối theo cách thích hợp để có khả đếm xung tới Kết đếm thị lưu trữ đầu FlipFlop dạng mã nhị phân Bộ đếm loại mạch điện hoạt động theo sườn lên theo sườn Qn-1Qn-2 Q1 Q0 xuống xung đếm; nghĩa chúng nhận biết có xung tới thời gian tương ứng với sườn lên sườn xuống xung nhịp (xung clock) ĐK Bộ đếm C Dn-1Dn-2 a) D1 D0 Bộ đếm chạy vòng Q0 Q1 Q2 Q3 161 C N-1 N QN-1 QN b) Hình 4.11.Sơ đồ khối đếm – sơ đồ khối đếm chạy vòng 2.1.2 Phân loại • Căn vào trình tự hoạt động FlipFlop đếm, ta có hai loại: - Bộ đếm không đồng (dị bộ): đếm loại này, có FlipFlop chịu tác động điều khiển trực tiếp xung đếm đầu vào, có FF chịu tác động điều khiển xung đầu FF khác Như vậy, chuyển đổi trạng thái FF không lúc, tức không đồng - Bộ đếm đồng bộ: FlipFlop chịu tác động điều khiển xung đồng hồ nhất, xung đếm đầu vào Như vậy, chuyển đổi trạng thái chúng đồng • Căn theo mã nhị phân biểu thị kết đếm ngõ ra, ta có loại đếm: - Bộ đếm nhị phân n bit: gồm n FlipFlop, mã ngõ số nhị phân n bit Dung lượng đếm (số xung cực đại mà đếm lưu trữ kết đếm ngõ ra) N = 2n –1 - Bộ đếm BCD (còn gọi đếm thập phân): mã thị kết đếm ngõ mã BCD Dung lượng đếm N = 10 - Bộ đếm Gray mã đầu mã Gray - Ngoài ra, loại đếm thường sử dụng đếm chạy vòng có sơ đồ hình 4.11b Nó gồm đầu vào C N+1 đầu ra, đánh số từ đến N Khi làm việc luôn có đầu có số tương ứng với số xung tới đầu vào C thay đổi trạng thái từ logic sang logic Ví dụ, xung tới Q0 = logic, có xung tới Q1 = logic, có xung thứ tới Q4 = logic…; đầu lại có giá trị logic • Căn vào cách đếm đếm, ta có: - Bộ đếm thuận (hay gọi đếm lên): nội dung đếm (kết đếm lưu trữ ngõ ra) tăng thêm đơn vị có xung đến - Bộ đếm ngược (hay gọi đếm xuống): nội dung đếm giảm đơn vị có xung đến 162 Q3 - Bộ đếm thuận nghịch: đếm hoạt động đồng thời với hai cách đếm thuận nghịch Chỉ có đếm có đầu vào dẫn xung đếm (đầu vào UP dùng cho đếm thuận đầu vào DOWN dùng cho đếm ngược) thực cách đếm CK3 T3 2.1.3 Bộ đếm không đồng Q3 Bộ đếm không đồng đếm nối TFF, JKFF giữ chức T theo quy luật ngõ Q FF trước nối với ngõ vào CK FF đứng sau, gọi đếm nối tiếp CK2 T2 Bộ đếm lên Q2 Q1 T1 Q2 Q1 CK1 CK Hình 4.12 Mạch đếm lên không đồng theo sườn xuống dùng TFF Bảng trạng thái: Xung vào Trạng thái Q3 Q2 Q1 Q3 Q2 Q1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 CK Trạng thái kế 163 Q1 Q2 Q3 Hình 4.13 Đồ thị xung minh họa hoạt động mạch đếm hình (4.12) Hình 4.12 cấu trúc mạch điện đếm nhị phân không đồng kiểu đếm lên dùng T FlipFlop FlipFlop phía sau lật trạng thái FlipFlop phía trước chuyển từ mức cao mức thấp (sườn xuống xung) Cứ sau sườn xuống xung đếm (từ mức mức 0), FF1 chuyển giá trị; FF2 FF3 có thuộc tính tương tự Q Q2 chuyển từ mức mức Bộ đếm xuống Hình (4.14) cấu trúc mạch điện đếm nhị phân không đồng kiểu đếm xuống dùng T FlipFlop Ở đếm xuống này, mạch điện thực cách sau lần kích thích thứ có Q1 = Q2 = Q3 = 1, đầu Q nối với đầu vào FlipFlop sau nên Q từ mức lên mức Q từ mức xuống mức kích thích chuyển cho FlipFlop theo sau hình (4.14) rõ 164 Q1 Hình 4.14 Mạch đếm xuống không đồng theo sườn xuống dùng TFF Bảng trạng thái: Xung vào Trạng thái Trạng thái kế Q3 Q2 Q1 Q3 Q2 Q1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 165 CK Q1 Q1 Q2 Q2 Q3 Hình 4.15 Đồ thị xung minh họa hoạt động mạch đếm hình (4.14) 2.1.4 Bộ đếm đồng Bộ đếm đồng đếm mà FlipFlop mắc song song với có xung đếm FF đồng thời chuyển trạng thái Còn gọi đếm song song Hình 4.16 Mạch đếm đồng theo sườn xuống dùng TFF Ở mạch hình (4.16), xung đếm vào FF1 đổi trạng thái theo sườn âm xung CK; cổng AND chọn điều kiện CK = Q = phép FF2 chuyển, cổng AND chọn điều kiện Q1 = Q2 = CK = phép FF3 chuyển Sau xung đếm CK, trạng thái FF1, FF2, FF3 đầu song song 111 166 Hình 4.17 Mạch đếm đồng theo sườn xuống dùng JKFF Hình (4.17) sử dụng JKFF để thực việc đếm xung; đây, sử dụng đầu vào JK để điều khiển FF2 FF3 tương ứng xung đếm CK đến cửa vào nhịp chúng FF1 đổi trạng thái sau sườn xuống CK, FF2 đổi trạng thái CK = Q1 = J = K = 1; FF3 đổi trạng thái CK = Q = Q2 = J = K =1 Mọi FF đổi trạng thái sườn xuống xung kích CK 2.2 Ứng dụng Bộ đếm mạch logic dùng rộng rãi kĩ thuật số Thật khó mà kể hết ứng dụng cụ thể đếm hệ thống đo lường điều khiển số a Trong nhiều trường hợp người ta dùng đếm để tạo mạch phát dãy xung có số xung xác định trước Ra Phát xung C Đếm En M Xoá Khởi động So Sánh N A=B 167 Hình 4.18 Mạch phát dãy xung có số xung xác định trước Trên hình 4.18, số xung định trước N dãy xung phát đặt cửa vào mạch so sánh Mạch phát xung phát dãy xung vào đếm, đồng thời đưa tới cổng “VÀ” để truyền qua đầu Khi số xung phát đạt giá trị N định trước đầu A = B mạch so sánh, nhảy lên logic Do cổng “VÀ” đóng, chặn dãy xung tới; đếm bị khoá, không làm việc b Một ứng dụng phổ biến đếm sử dụng làm mạch chia tần số dãy xung Ta có thể: • Dùng IC đếm không đồng để tạo thành mạch chia tần số • Dùng mạch đếm vòng cho việc chia tần số • Hình 4.19 giới thiệu mạch chia tần số với số chia N lập trình, đếm IC 74191 168 Load D /U RCE f N f/N* K 169 Hình 4.19 Mạch chia tần số lập trình c Người ta hay dùng đếm chạy vòng để điều khiển hoạt động có tính trình tự chu trình Ví dụ điều khiển ánh sáng chạy dãy đèn quảng cáo (hình 4.20) Q0 Phát xung 555 Bộ đếm vòng Q1 Đến đối tượng điều khiển Q2 C QN-1 Hình 4.20 Mạch điều khiển hoạt động trình tự chu trình Trên hình vẽ, tín hiệu đầu Q ÷ QN-1 dẫn tới điều khiển làm việc N đối tượng, ví dụ công tắc mạch chiếu sáng hàng đèn quảng cáo Dãy xung nhịp từ mạch phát xung dùng timer 555 làm thay đổi cách mức logic đầu đếm vòng, từ Q đến QN-1 lại lặp lại sau N xung tới đếm Kết ta tạo ánh sáng chạy vòng phát từ hàng đèn quảng cáo Bài tập thực hành học viên Bài 1: Trình bày ký hiệu, bảng trạng thái nguyên lý hoạt động loại Flip Flop học ? Bài 2: Hãy nêu ứng dụng Flip Flop mà em biết ? Bài 3: Hãy nêu định nghĩa đếm phân loại ? Bài 4: Hãy sử dụng IC 74191 để thực việc chia tần số Lắp mạch thực chức Kỹ năng: - Đọc sơ đồ chân linh kiện IC 74191 - Hiểu cách kết nối mạch nguyên lý - Lắp sơ đồ mạch điện Bài 5: Hãy sử dụng IC 7490 để thực đếm Lắp mạch thực chức Kỹ năng: - Đọc sơ đồ chân linh kiện IC 7490 - Hiểu cách kết nối mạch nguyên lý 170 - Lắp sơ đồ mạch điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh, Kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật., 2005 [2] Lê Tiến Thường, Điện tử 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3] Trương Văn Tám, Giáo trình Mạch điện tử, Đại học Cần Thơ, 2009 [4] Lương Ngọc Hải, Giáo trình Kỹ Thuật Xung Số, NXB Giáo Dục, 2009 171 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ ĐUN Phương pháp đánh giá - Hình thức kiểm tra hết mô đun chọn hình thức sau: Đối với lý thuyết:Viết, vấn đáp, trắc nghiệm Đối với thực hành: Bài tập thực hành - Thời gian kiểm tra: Lý thuyết: Không 150 phút Thực hành: Không - Thực theo qui chế thi, kiểm tra công nhận tốt nghiệp dạy nghề hệ qui định 14/2007/BLĐTB&XH ban hành ngày 24/05/2007 Bộ trưởng Bộ LĐ-TB&XH Nội dung đánh giá - Về kiến thức: Được đánh giá qua kiểm tra viết, trắc nghiệm đạt yêu cầu sau: Xác định xác giá trị linh kiện điện tử Xác định chân linh kiện Lắp ráp, sửa chữa mạch khuếch đại, mạch số - Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành sinh viên thực hành đạt yêu cầu sau: Xác định giá trị linh kiện; Lắp ráp dược mạch khuếch đại, mạch số yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật - Về thái độ: Cẩn thận, tự giác ... (culông - C) I: cường độ dòng điện (ampe - A) t: thời gian (giây- s) Tuy nhiên, mạch điện tử cường độ dòng điện có trị số A lớn nên người ta thường dùng ước số A là: 1mA = 1 0-3 A µA = 1 0-3 mA = 1 0-6 ... Phân loại theo giá trị: - Điện trở cố định - Điện trở có giá trị thay đổi (biến trở) Phân loại theo cấu tạo: - Điện trở than - Điện trở màng kim loại - Điện trở oxit kim loại - Điện trở dây quấn... 1.3 Theo định luật Kirchhoff 1, ta có phương trình nút A: i1 + i - i + i = Nếu ta qui ước dấu ngược lại ta kết quả: - i - i + i - i =0 Hay ta viết: i3=i1+i2+i4 Ta có phát biểu khác định luật Kirchhoff