Giáo trình: Nguyên lý kỹ thuật điện tử, Trần Quang Vinh

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trần Quang Vinh (Chủ biên) v Chử văn an NGUYêN Lí Kỹ thuật điện tử nh xuất gi¸o dơc - 2005 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 6T7 1749 / 45 − 01 GD − 02 M∙ sè : 7B594M2 Lời nói đầu Tài liệu "Nguyên lý kỹ thuật điện tử" trình bày nguyên tắc hoạt động linh kiện mạch điện tử thông dụng Ngày kỹ thuật điện tử đợc áp dụng hÕt søc réng r∙i nhiÒu lÜnh vùc khoa häc công nghệ đời sống Ta thấy diện mạch điện tử thiết bị gia đình, công sở nh từ máy thu vô tuyến truyền hình tới hệ thống máy vi tính đại Kiến thức điện tử hành trang thiếu đợc cho sinh viên chuyên ngành mà công cụ tốt cho cán sinh viên ngành khác liên quan ham muốn tìm hiểu kỹ thuật tiên tiến Do tài liệu đ đợc cố gắng biên soạn cho đảm bảo đủ nội dung nhng cập nhật đợc vấn đề đại khuôn khổ hạn chế Sách đ đợc dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên bắt đầu học kỹ thuật điện tử ngành §iƯn tư - ViƠn th«ng, C«ng nghƯ th«ng tin, VËt lý kỹ thuật, thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội năm gần Do kiến thức tiên đòi hỏi ngời đọc không nhiều số hiểu biết liên quan đến sở toán học vật lý Sách đợc chia thành chơng Ba chơng đầu tóm lợc khái niệm liên quan đến tín hiệu, mạch điện hệ thống điện tử Chơng trình bày dụng cụ bán dẫn - linh kiện chủ yếu kỹ thuật điện tử đại - nh mạch điện tử khuếch đại sử dụng linh kiện Chơng trình bày mạch phát sóng, thành phần hay gặp hệ thống điện tử Chơng chơng sâu vào tìm hiểu kỹ thuật điện tử phi tuyến Đó mạch điều chế, giải điều chế, trộn tần, dùng nhiều kỹ thuật thông tin, phát thanh, truyền hình, kỹ thuật dẫn đờng, v.v Chơng đề cập tới lĩnh vực giáp ranh kỹ điện tử tơng tự (analog) điện tử số (digital), mạch biến đổi D/A A/D Cuối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt cùng, chơng cung cấp cho ngời đọc kiến thức số mạch nguồn nuôi hệ thống điện tử điển hình Cuốn sách không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đợc ý kiến đóng góp bạn đọc Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Điện tử Kĩ thuật Máy tính, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội, 144 Đờng Xuân Thuỷ, Quận Cầu giấy, Hà nội Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề, trực thuộc Nhà Xuất Giáo dục, 25 Hàn Thuyên - Hà Nội Các tác giả CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chơng khái niệm chung hệ thống điện tử 1.1 Tín hiệu, mạch điện v hệ thống điện tử Mục tiêu giáo trình nghiên cứu nguyên lý kỹ thuật mạch điện tử Cụ thể mạch điện tử tơng tự Các mạch đợc thiết kế xây dựng sở kết nối linh kiƯn ®iƯn tư nh− ®iƯn trë, tơ ®iƯn, cn cảm, dụng cụ bán dẫn, v.v với Hơn nữa, từ mạch điện tử bản, ngời ta tổ hợp chúng lại để tạo nên hệ thống điện tử đợc dùng cho nhiều mục đích Lan truyền mạch tín hiệu điện, biểu vật lý tin tức Trong mạch điện tử, dạng vật lý tín hiệu dòng điện, điện áp, v.v tổng quát sóng điện từ Vì lý vừa đợc nêu, tín hiệu mạch điện hai khâu có mối quan hệ chặt chẽ bổ sung cho cần đợc trọng việc nghiên cứu thiết kế xây dựng nên hệ thống điện tử Các hệ thống thiếu ứng dụng thuộc công nghệ thông tin truyền thông đại Có thể mô tả đơn giản hệ thống nh hình 1.1 sau Nhiễu Nguồn tin Cảm biến Mạch điện tử Kênh thông tin Mạch điện tử Cảm biến Tin đợc nhận Hình 1.1 Các thành phần hệ thống điện tử Tin tức nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, v.v từ nguồn tin qua cảm biến đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện tơng ứng Thí dụ cảm biến nh microphone đợc đặt trớc ngời ®ang nãi, hai ®Çu lèi cđa nã sÏ xt điện áp biến thiên có biên độ tỷ lệ với áp suất âm Tín hiệu đợc đa tới lối vào mạch điện tử để gia công, xử lý Trong trờng hợp mạch khuếch đại, có tác dụng tăng biên độ tín hiệu lối vào mạch (là lối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt microphone) từ cỡ mili-vôn lên hàng vôn vài chục vôn đủ để kích phát công suất loa Trong vài trờng hợp khác, mạch điện lại có chức nh điều chế tín hiệu, đổi tần, m hoá, v.v Nếu cần truyền xa, tín hiệu đợc gửi qua vài kênh thông tin Các kênh môi trờng truyền sóng điện từ, thí dụ nh cáp đồng trục, cáp quang không gian xung quanh (trong trờng hợp thông tin vô tuyến) đầu kênh, mạch điện thu có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu gia công, xử lý cho mục đích đó, thí dụ nh khuếch đại, tái tạo lại dạng gốc tín hiệu, giải điều chế, giải m, v.v Trong hệ thống nh vậy, tín hiệu nh ta vừa nói, đợc quy ớc gọi thành phần tín hiệu có ích, hệ thống luôn chịu tác động nhiều nguyên nhân khác làm ảnh hởng tới tín hiệu Thí dụ nh thăng giáng điện tử nhiệt gây nên dòng điện có biên độ pha thay đổi ngẫu nhiên gọi ồn nhiệt lối vào khuếch đại điện tử có mức tín hiệu thấp, sóng điện từ dòng điện thành phố 50 Hz, xung điện phát từ thiết bị điện phòng thâm nhập vào hệ điện tử, v.v Các tác động gọi chung nhiễu đợc coi nh thành phần tín hiệu vô ích Nhiễu đợc cộng nhân với thành phần tín hiệu có ích gây nên méo dạng tín hiệu làm tín hiệu bị nhận chìm Trong nhiều trờng hợp, điều làm cho mạch điện thu phát đợc tín hiệu có Ých nÕu kh«ng cã sù gia c«ng xư lý thÝch hợp Vì việc chống lại can nhiễu hay làm giảm ảnh hởng chúng nhiệm vụ quan trọng thiết kế mạch điện tử 1.2 Các đại lợng tín hiệu Các đại lợng điện mạch điện tử bao gồm: điện tích, điện thế, hiệu điện thế, dòng điện, trở kháng công suất Các đại lợng đ đợc khảo sát kỹ giáo trình điện từ học nhắc lại cách khái quát định nghĩa áp dụng chúng mạch điện tử Điện tích thuộc tính vật chất Các loại vật liệu (bao hàm vật dẫn điện cách điện) đợc tạo thành từ nguyên tử có hạt nhân điện tử Tính chất dẫn điện vật liệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt phụ thuộc vào điện tử liên kết yếu với nguyên tử Mỗi điện tử mang điện tích 1,6ì10-19 Coulomb, ký hiệu C Coulomb đơn vị điện tích đợc chuẩn hoá nh tơng đơng với tổng điện tích cỡ 6,25ì1018 điện tử Các điện tích tự nhiên có giá trị số nguyên lần điện tích điện tử Điện tích điện tử đợc quy ớc có dấu âm (-), điện tích hạt nhân nguyên tử có dấu dơng (+) Sự tồn điện tích đợc phát qua tơng tác lực chúng Lực tơng tác đợc xác định nh sau: F = Fe (q1, q2 , R) + Fm (q1, v1, q2, v2, R) Trong Fe lực tĩnh điện phụ thuộc vào vị trí điện tích, Fm lực từ phụ thuộc vào vị trí chuyển động điện tích; q1 q2 giá trị tơng ứng hai điện tích, v1 v2 vận tốc chuyển động điện tích R khoảng cách chúng Năng lợng trao đổi điện tích sinh lực điện Lực gây nên chuyển động điện tích sinh công Điện Vx điểm x không gian công phải thực để đa đơn vị ®iƯn tÝch tõ v« cïng ®Õn ®iĨm ®ã NÕu mét điểm y khác có điện Vy hiệu số điện điểm x y gọi điện áp hai điểm đó, đợc ký hiệu Uxy Điện áp đợc quy ớc dơng điểm x có điện dơng so với điểm y ngợc lại Tức là: Uxy = Uyx Theo định nghĩa trên, gọi A công lực điện sinh để chuyển lợng điện tích Q từ điểm x đến y hiệu thÕ U b»ng: U xy = A Q Trong s¬ đồ mạch điện, thờng bỏ qua số kép thờng viết điện áp so với điểm đợc chọn làm điểm gốc nh thí dụ với điểm z sau: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Uxz = 5V , Uyz = 7V → viÕt: Ux = 5V vµ Uy = 7V coi điện điểm gốc z V Khi nói điện áp điểm ®ã cã nghÜa lµ ®iƯn thÕ cđa ®iĨm ®ã so với gốc chung Dòng điện lợng điện tích chuyển dời qua dây dẫn hay qua phần tử mạch điện đơn vị thời gian (dòng điện dẫn) hay có biến thiên điện trờng theo thời gian (dòng điện dịch) Chiều dòng điện mạch đợc quy ớc chảy từ nơi có điện cao (+) tới nơi có điện thấp () Do định nghĩa nh dòng điện I đoạn mạch có lợng điện tích Q chuyển qua thêi gian t sÏ lµ: I= Q t Công suất công mà dòng điện sản đoạn mạch đơn vị thời gian Do công suất P đợc sinh dòng điện I chảy điểm đoạn mạch có điện áp đặt vào U là: P= công công diện tÝch A Q = × = × = UI thêi gian diÖn tÝch thêi gian Q t Trong thùc tÕ tính đến công suất trung bình khoảng thời gian T đ cho Giá trị gọi công suất hiệu dụng bằng: Peff = T T P( t )dt 1.3 Các phần tử thực v phần tử lý tởng mạch điện Phân tích trình xảy mạch điện phải tìm đợc giá trị dạng dòng điện điện áp phần tử, linh kiện, đoạn mạch, v.v trờng hợp Các phần tử mạch điện thực tế phần tử thực Chúng bao gồm thông số thông số ký sinh Để rõ khái niệm ta hy lấy thí dụ điện trở đợc chế tạo cách quấn dây có điện trở suất cao (nh constantan) lên ống sứ cách điện nh hình vẽ 1.2.a Vì đoạn dây constantan đợc lõi sứ theo dạng lò xo ruột gà đ tạo nên cuộn điện cảm có giá trị ®iƯn c¶m rÊt nhá Lks, cã chØ cì CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt phÇn m−êi μH (10-7 H), nh−ng vÉn khác không Chỉ số ks viết tắt từ chữ "ký sinh" có nghĩa phần tử tạp tán, nhỏ so với giá trị bình thờng Mặt khác, vòng dây đợc sát nhng cách điện với đ tạo nên tụ ký sinh mà tổng điện dung cđa chóng rÊt nhá, chØ cì 1pF (10-12 F), nhng khác không Nh vậy, cách xác sơ đồ thực điện trở không đơn có điện trở R đoạn dây constantan nh sơ đồ lý tởng hình 1.2.c mà phải thêm vào cuộn cảm Lks mắc nối tiếp với tụ điện Cks mắc song song với hai nh hình 1.2.b Đoạn dây constantan cã ®iƯn trë b»ng R Lks R → èng sø cách điện A A B B (a) R Cks (b) (c) Hình 1.2 Phần tử thực lý tởng Nh sau thấy, giá trị trở kháng phần tử ký sinh phụ thuộc vào tần số Do phân tích mạch điện chứa phần tử hoạt động thực tế dải tần số không đặc biệt thờng ngời ta đơn giản hoá, coi phần tử mạch lý tởng, tức giá trị thông số ký sinh không Tức phải đảm bảo giá trị thông số ký sinh dải tần số tín hiệu hoạt động đủ nhỏ để cã thĨ bá qua so víi th«ng sè chÝnh, cho kết phân tích chấp nhận đợc Thí dụ với điện trở thông thờng đợc chế tạo nh hình 1.2.a có giá trị điện trở cỡ 1.000 Ω th× cã thĨ thiÕt kÕ cho sư dơng mạch điện khuếch đại dải tần số âm vài chục kHz trở xuống mà không cần quan tâm tới giá trị điện cảm điện dung ký sinh Trong phải thiết kế mạch điện khác hoạt động dải tần sè rÊt cao cì vµi chơc GHz nh− kü thuật ra-đa không tính đến thông số ký sinh thiết kế mạch muốn dùng đến mà không muốn thay điện trở đợc chế tạo đặc biệt có thông số ký sinh nhỏ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trong sơ đồ, diode zener đợcphân cực ngợc tạo nguồn điện áp chuẩn Uch Transistor đóng hai vai trò khuếch đại so sánh điều chỉnh Giả sử lý U1 tăng U2 tăng Nh−ng U2 chÝnh lµ UE vµ UB chÝnh b»ng Uch không đổi, nên kết UBE = UB UE giảm dẫn tới làm giảm dòng IC giảm dòng IE , dòng qua tải Kết tải ITRT giảm Sơ đồ đợc thiết kế cho giảm lợng tăng ta có U2 đợc giữ không đổi Theo hình dễ thấy điện áp cđa bé ỉn ¸p b»ng: U = U T = U ch − U BE §iƯn r2 = trở trở lặp lại emitter: ∂U r U = BE = = T ; víi thÕ nhiƯt UT = 25,5 mV vµ dßng I2 = 100 mA cã ∂I + β S I thĨ thÊy r»ng trë nµy nhỏ cỡ 0,3 Nếu cần điều chỉnh điện áp sử dụng sơ đồ 9.8.b phần điện áp chuẩn đợc trích từ điểm chạy biến trở P Điện trở biến trở cần nhỏ rBE để không làm tăng trở mạch Khi cần dòng ổn áp lớn dùng sơ đồ hình 9.8.c dùng transistor T1 T2 mắc daclington để tăng dòng tải Sơ đồ hình 9.9 sơ đồ ổn áp hai T1 + tầng dùng transistor Diode Zener đóng vai trò nguồn điện áp chuẩn, R1 + R2 R3 U1 RT T2 transistor T1 phần tử điều chỉnh transistor T2 phần tử KĐSS Lý luận U2 R4 Uch tơng tự nh ta có: giả sử U2 tăng UB2 tăng UBE2 tăng dòng IC2 Hình 9.9 Bộ ổn áp tầng dùng tăng, UC2 giảm UBE1 giảm dẫn tới làm transistor transistor T1 bớt thông (nội trở tăng), dòng IC1 IE1 giảm lợng cho U2 = IE1RT không đổi Nếu mạch gánh emitter có đợc KĐTT mắc kiểu lặp lại điện áp nh hình 9.8.a đặc tính ổn áp đợc cải thiện Chừng KĐTT hoạt động miền tuyến tính điện áp hai lối vào đảo không đảo đợc giữ Nhng đầu vào đảo đợc nối với lối nên điện ra ổn áp trờng hợp đợc giữ điện áp đầu vào không đảo tức điện áp 259 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt chuẩn (thực sai khác vài chục micrô vôn) Hai hình 9.10.b 9.10.c sơ đồ ổn áp điều chỉnh đợc điện áp ổn định Điện áp trờng hợp đợc điều chỉnh vị trí tiếp điểm chạy biến trở P nằm dải lớn điện áp chuẩn diode zener Đây điều ổn áp hình 9.8 có đợc Hình 9.10.c có điểm đặc biệt diode zener đợc cấp qua trở R1 từ nguồn cha ổn áp mà từ nguồn đ ổn áp Do biến thiên từ nguồn vào hầu nh không ảnh hởng tới điện áp chuẩn diode zener tạo Mạch có độ ổn định cao T + U1 U2 R1 + − Uch − (a) T + + U1 R1 R2 + + U1 U2 R1 T + U2 R2 + − − P P Uch Uch R3 R3 (b) (c) Hình 9.10 Các ổn áp dùng KĐTT làm phần tử KĐSS 9.4 Các vi mạch ổn áp Ngày thờng ngời ta chế tạo vi mạch có chức ổn áp với tham số chuẩn Các vi mạch đợc chế tạo hàng loạt nên giá thành rẻ thông dụng Các vi mạch ổn áp gồm loại: loại thứ có điện áp lối cố định loại thứ hai có điện áp đợc điều chỉnh dải 260 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cấu tạo bên vi mạch ổn áp có sơ đồ điển hình nh− h×nh 9.11 U1 D1 I1 I2 T'1 T1 CK R5 T3 T4 R6 T2 R4 R2 R3 Uch D2 R7 U2 R1 Hình 9.11 Cấu tạo bên vi mạch ổn áp Trong mạch dùng diode D2 làm nguồn điện áp chuẩn Uch Do phản hồi âm tạo phân áp R1 R2 nên ổn áp đợc xác lập : U = U ch (1 + R / R ) Tụ Ck dùng để hiệu chỉnh tần số sơ đồ nhằm chống tự kích Với loại có điện áp cố đinh, điển hình họ vi mạch 78-xx 79-xx Họ vi mạch ổn áp có chân ra: đầu vào, đầu đầu nối đất, dòng điện áp cực đại thờng cỡ 1A với điều kiện vi mạch đợc gắn cánh toả nhiệt thích hợp Loại 78xx cho vi mạch có điện áp vào có dải từ VDC đến 30 VDC, điện áp cố định +5 V víi lo¹i 7805, +12V víi lo¹i 7812, v.v Loại 79xx cho vi mạch ổn áp có dải điện áp vào từ -5 VDC đến -35 VDC; điện áp cố định -5 V với loại 7905, -12V với loại 7912, v.v Với loại có điện áp biến đổi đợc, thí dụ vi mạch LM-327 có chân ra: đầu vào, đầu đầu nối với biến trở điều chỉnh Đầu biến trở đợc nối với đất Loại cho điện áp vào từ +5 VDC đến 35 VDC nhận đợc điện áp ổn áp với giá trị tuỳ ý dải từ +3 V đến +30 V đợc điều chỉnh biến trở Hình dạng chân nối hai vi mạch ổn áp cố định 7805 7905 vi mạch ổn áp điều chỉnh điện áp đợc LM-327 cho hình 9.12 Các loại khác có hình dạng tơng tự Kim loại toả nhiệt + In + Out Ground CuuDuongThanCong.com LM 327 7805 7805 Ground - In - Out + In Vỏ cách điện + Chân điều chỉnh https://fb.com/tailieudientucntt 261 Hình 9.12 Hình dạng chân nối vi mạch 7805 7905 Ngoài có loại vi mạch ổn áp có hệ số ổn áp cao loại kể trên, nhng có dòng tải nhỏ cỡ vài chục mA Thí dụ nh loại A723 vi mạch đợc đóng vỏ 14 chân, hai hàng Thờng loại đợc sử dụng mạch điều khiển đòi hỏi độ ổn định cao, phần công suất đợc điều khiển transistor vi mạch công suất lớn Sơ đồ khối hình dạng vi mạch cho hình 9.13 14 +Vcc VC Lối T1 transistor nối tiếp Khuêch đại sai số Nguồn chuẩn T2 Hạn dòng Vch -Vcc Hình 9.13 Sơ đồ khối hình dạng vi mạch ổn áp A-723 Hình 9.14 số sơ đồ ứng dụng vi mạch ổn áp loại 7805 7905 Các loại với ổn áp khác nguyên tắc đợc dùng tơng tự Nhìn chung việc sử dụng chúng thuận tiện dễ dàng Hình 9.14.a sơ đồ tạo ổn áp cố định +5V từ vi mạch 7805 Khi cần nâng cao dòng ổn áp đấu thêm transistor công suất phụ nh hình 9.14.b Cùng với transistor bên vi mạch, tạo sơ đồ Daclington cho phép dòng ổn áp tăng lên 262 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt in U1= +6 ÷ 35V 7805 C1 ground out U1 U2 = +5V C2 T 7805 (a) in 7805 (b) out +5V + UZ ground U1 U2 R R +5V 7805 U~ + - + + - + - - C2 C1 UZ 0V 7905 (c) -5V (d) Hình 9.14 Một số sơ đồ nguồn ổn áp dùng vi mạch ổn áp cố định Trong trờng hợp cần ổn áp cao +5V nhng có vi mạch 7805, dùng sơ đồ hình 9.14.c diode ổn áp (zener) UZ đợc mắc mạch chân vi mạch với đất Cách cho phép điện áp đợc tăng lên lợng UZ Điện trở R dùng để điều chỉnh dòng diode ổn áp đến giá trị gần cố định I = (U − U Z ) / R Khi cÇn có nguồn điện áp lỡng cực, dùng sơ đồ nh hình 9.14.d, sử dụng biến áp có cuộn thứ cấp có điểm đợc nối đất hai vi mạch ổn áp trái dấu 7805 cho lối +5V loại 7905 cho lối -5V 9.5 Bộ ổn áp kiểu xung Hiệu suất mạch ổn áp với phần tử tích cực (nh transistor, vi mạch) chạy chế độ liên tục nh kể phụ thuộc nhiều vào công suất tổn hao phần tử điều chỉnh transistor công suất Có thể giảm công suất tổn hao cho transistor làm việc chế độ xung Ta có loại ổn áp xung hay gọi ổn áp chuyển mạch (đóng - ngắt) Transistor điều chỉnh ổn áp đợc thiết kế làm việc hai trạng thái: thông bo hoà (đóng) cấm (ngắt) Khi thông, transistor dẫn lợng từ nguồn đến 263 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt phần tử tích luỹ lợng (là cuộn cảm biến hay tụ điện) mạch Khi transistor cấm, phần tử tích luỹ cung cấp lợng cho mạch cho tải luôn có điện áp Muốn phải có lọc tần thấp để san xung lối thành điện áp chiều không đổi Tần số đóng ngắt khoá transistor thờng nằm dải từ vài chục Hz đến vài chục kHz để dùng cuộn cảm lõi Fe-rít thích hợp cho phép giảm nhỏ kích thớc biến hiệu suất tổn hao nhỏ Hình 9.15.a sơ đồ nguyên lý ổn áp kiểu xung Điện áp U2 ổn áp đợc so sánh với điện áp chuẩn Uch điều khiển Điện áp sai lệch đợc dùng để điều chế độ rộng xung tạo dao động phát Chuỗi xung điều khiển đóng mở transistor T với tần số cố định nhng có độ rộng xung (là tỷ số thời gian đóng chu kỳ dao động) thay đổi đợc lối emitter transistor, chuỗi xung dòng đợc lọc qua lọc LC để có đợc điện áp phẳng U2 Bộ điều chế đợc thiết kế cho điện áp U2 giảm xuống nguyên nhân (thí dụ U1 giảm), tín hiệu điều khiển cho chuỗi xung có độ rộng lớn nhằm làm cho dòng trung bình qua transistor tăng lên bù lại giảm U2 ngợc lại U2 giảm độ rộng xung đợc điều khiển giảm Kết U2 giữ không đổi giới hạn Tín hiệu ®iỊu khiĨn T L U1 U2 Bé ®iỊu khiĨn C (a) Bộ tạo dao động Bộ điều chế độ rộng xung Bộ điều khiển (b) U2 Uch Hinh 9.15 Mạch ổn áp xung (a) cấu tạo điều khiển (b) Để tính điều khiển ta xét dòng chạy qua cuộn chặn L Giả thiết tụ C lớn vô nên có gợn sóng mấp mô lối không Hình 9.16 giản đồ thời gian điện áp xung dòng mạch Khi transistor bị cấm, ta cã: U L ≈ −U = const (9.6) 264 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt V× U L = L dI L , nên dòng qua cuộn chặn L giảm tuyến tính theo thêi dt gian: dI L = −U / L dt U1 tth«ng (9.7) tcÊm t ILmax IL ILmin t U2 t Hình 9.16 Điện áp dòng điện ổn áp xung Khi transistor thông, ta có: U L = U − U = const (9.8) Lúc dòng qua L tăng tuyến tính theo thêi gian: dI L = (U − U ) / dt dt ΔI L = I L max − I L = (9.9) U2tcÊm (U1 − U2 )tth « ng = L L (9.10) tth « ng tth « ng U2 = = U1 tth « ng + tcấm T (9.11) Nh điện áp ổn áp tỷ lệ thuận với độ rộng xung chuyển mạch không phụ thuộc vào dòng lối I2 > (1/2) ΔIL Dßng qua transistor chun mạch thông tổng dòng gánh I2 dòng n¹p cho tơ Tû sè α ≡ I L max lớn điện cảm cuộn chặn L nhỏ I2 Trị số cực đại 1,2 để đảm bảo tham số yêu cầu chuyển mạch transistor Tính giá trị L, theo hình 9.13 ta cã: 265 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt I L max = I + ΔI L (9.12) Tõ c¸c biĨu thøc ta đợc: L = R V (1 U / U ) ⎛I ⎞ 2⎜⎜ L max − ⎟⎟ ⎝ I2 ⎠ (9.13) Trong ®ã RV = U2/ I2 trị số điện trở gánh mạch Khi điện dung C hữu hạn, lối ổn áp có gợn sóng Dòng nạp cho tơ b»ng: IC = IL - I2 Chu kú n¹p phóng tụ miền gạch chéo đồ thị Trị số gợn sóng thoả mn hệ thức sau: ΔQC 1 ⎛ 1 ⎞1 = ⎜ t th « ng + t cÊm ⎟ ΔI L C C 2⎝2 ⎠2 ΔU = (9.14) Tõ ®©y suy ra: ΔU = U2 ⎛ U2 ⎞ ⎜1− ⎟ LCf ⎜⎝ U1 ⎟⎠ (9.15) Do cha tính đến trở dò tụ nên thực tế trị số điện áp xung đo đợc lớn giá trị tính toán đôi chút Khác với ổn áp liên tục, dòng trung bình chạy qua transistor chuyển mạch nhỏ dòng Bỏ qua tổn hao, ta viết biểu thức cân công suÊt sau: U1 I ≈ U I Tõ ®ã cã: I = (U / U1 ) / I (9.16) Ta thư tÝnh thÝ dơ b»ng sè cho c¸c tham sè cđa bé ỉn ¸p Giả sử yêu cầu ổn áp có điện áp ổn định 5V với dòng gánh 5A Điện áp vào không ổn định 10V Tần số dao ®éng chän b»ng 20 kHz Ta chän hƯ sè ®iỊu chỉnh = 1,2 Với tham số này, từ công thức (9.13) ta tính đợc L = 63 E L max = H Trị số cực đại lợng cảm ứng LI L max = 1,1mJ Trị số cho phép tính chọn lõi cuộn cảm 266 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giả sử điện áp gợn sóng lối cho phép không 30 mV Từ công thức (9.15) tính đợc trị số tối thiĨu cđa tơ C = 413 μF Ta cã thĨ ®−a mét s¬ ®å thĨ cđa bé ỉn áp xung đơn giản nh T + U1 U2 L R2 R1 UE R3 + Uch − A RT D1 D2 C1 hình 9.16 9.16 Sơ đồ ổn áp xung đơn giản Giả sử R2 đợc ngắt khỏi mạch Lúc mạch giống ổn áp có lặp lại dùng KĐTT U2 với chuẩn Uch Khi R2 đợc mắc mạch giả sử transistor T trạng thái thông bo hoà, điện áp emitter UE gần điện áp vào U1 Hiệu UE Uch đợc thiết kế phân chia qua phân áp R2R3 cho đầu vào không đảo KĐTT cao Uch chút Do đầu vào không đảo cao đầu vào đảo Bởi lối KĐTT vào bo hoà dơng Điện áp nh vừa nói làm T tiếp tục thông bo hoà làm cho U2 xÊp xû b»ng U1 Trong thêi gian T th«ng, tơ C đợc nạp qua T cuộn chặn L Thế UC đầu đảo KĐTT tăng dần đến cao đầu vào không đảo Lúc KĐTT chuyển trạng thái, lối nhảy sang bào hoà âm làm cấm transistor T Khi T ngắt lối ổn áp bắt đầu giảm C phóng điện qua tải Thế lối giảm xuống, tức đầu vào đảo giảm tới nhỏ đầu vào không đảo KĐTT lại lật trạng thái điều khiển transistor chuyển sang thông Khi T thông, dòng qua L để nạp cho C tích tụ lợng cuộn cảm Khi T ngắt, lợng tạo nên xung ngợc lớn đặt lên transistor T làm hỏng Vì vậy, diode D2 (gọi diode hm) đợc mắc vào mạch để thông dòng cho xung ngợc qua D2 tải nhằm bảo vệ áp cho transistor 267 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trong thùc tÕ th−êng sư dơng sơ đồ ổn áp xung với mạch dao động sơ cấp biến nh hình 9.17 L1 Tr T D5 + C1 220V~ D C4 U2 C3 C2 L2 Bộ điều khiển cách ly điện Bộ phát dao động Hình 9.17 Sơ đồ ổn áp kiểu xung bên sơ cấp biến Điện áp từ nguồn điện thành phố 220V~ đợc chỉnh lu trực tiếp từ nắn cầu bốn diode D lọc điện với tơ C3 Nh− vËy thÕ trªn tơ sÏ rÊt lín cì 220 VAC × 1,4 ≈ 308 VDC Transistor chun mạch T có tải biến Tr Các xung dòng bên sơ cấp đợc cảm ứng sang cuộn thứ cấp sau đợc chỉnh lu diode D5 läc bëi tơ C4 cho thÕ lèi mét chiỊu U2 ổn áp xung Quá trình đóng ngắt transistor đợc điều khiển điều khiển cách ly điện Mạch thờng dùng khuếch đại quang-điện (optron) có điện trở cách điện cao (cỡ têtra ) điện đánh thủng cao (cỡ kV) Trong trờng hợp thông thờng, cho phép cách ly điện nguồn cao 220V~ bên mạch sơ cấp với nguồn thấp chiều bên thứ cấp biến Tr Các xung điều khiển đợc đa đến từ phát dao động Đây mạch điện phát chuỗi xung có tần số không ®ỉi nh−ng ®é réng xung ®−ỵc ®iỊu khiĨn bëi thÕ U2 Độ rộng tỷ lệ nghịch với độ lớn U2 Giả sử, nguyên nhân điện áp tăng lên lợng đó, dẫn tới độ rộng xung điều khiển đợc phát từ máy phát dao động giảm xuống, tức làm thời gian thông transistor giảm Điều dẫn tới làm giảm dòng trung bình qua biến cho điện áp giảm lợng lợng tăng hay nói cách khác điện áp giữ không ®ỉi cã sù ®iỊu chØnh bï trõ cđa m¹ch điện xung Cũng lý luận tơng tự cho trờng hợp điện áp giảm xuống Sơ đồ đợc dùng cho trờng hợp điện áp vào chiều Các lọc L1C1 L2C2 dùng để ngăn chặn xung nhiễu điện từ ổn áp xâm nhập ngợc trở lại mạng điện thành phố làm ảnh hởng tới thiết bị khác 268 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt mục lục Lời nói đầu Chơng Khái niệm chung hƯ thèng ®iƯn tư 1.1 1.2 1.3 1.4 Trang TÝn hiệu, linh kiện, mạch điện hệ thống điện tử Các đại lợng tín hiệu Các phần tử thực lý tởng mạch điện Mạch điện, hệ thống điện tử loại sơ đồ Chơng Tín hiệu phơng pháp phân tích 2.1 Tín hiệu biểu diễn theo thêi gian 2.2 TÝn hiƯu biĨu diƠn theo miỊn tần số 2.3 Nguyên lý xếp chồng 2.4 Nhiễu tính chất 2.5 Điều chế tín hiệu 16 16 18 Chơng Các phơng pháp khảo sát mạch điện tử 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Các phần tử thông số tích cực thụ động mạch điện Các phần tử, mạch điện tuyến tính phi tuyến Các định luật Kirchhoff Các mạch tơng đơng Thevenin Norton Điều kiện chuẩn dừng trình sóng mạch điện Đặc trng độ đặc trng dừng mạch điện Các phơng pháp phân tích mạch tuyến tính Phân tích mạch thụ động R, L C Liên kết phản hồi mạch điện Chơng Linh kiện bán dẫn mạch điện tử ứng dụng liên quan 4.1 Chất bán dẫn lớp tiếp giáp p-n 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 øng dơng cđa diode bán dẫn Transistor lỡng cực ứng dụng Transistor trờng Thyristor diac Bộ khuếch đại thuật toán sơ đồ ứng dụng 22 24 25 26 27 28 29 39 48 51 54 59 97 100 103 Ch−¬ng Các mạch tạo dao động điện 5.1 Các khái niệm chung mạch tạo dao động 5.2 Nguyên tắc tạo dao động điện 127 127 5.3 ổn định biên độ tần số dao động 5.4 Các tạo sóng cao tần hình sin LC 130 131 265 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 5.5 Bộ tạo dao động RC 5.6 Các mạch điện tạo dao động xung 5.7 Dùng biến đổi số-tơng tự D/A để tạo dao động 142 151 177 Chơng Các mạch điều chế giải điều chế 6.1 Các khái niệm điều chế giải điều chế 6.2 Điều biên tách sóng điều biên 6.3 Điều chế giải điều chế đơn biên 6.4 Điều tần điều pha Chơng 179 179 198 203 Trộn tần 7.1 Cơ sở lý thuyết trộn tần 7.2 Mạch trộn tần 7.3 Vòng khoá pha PLL 220 223 227 Chơng Chuyển đổi tơng tự-số số-tơng tự 8.1 Chuyển đổi tơng tự-số A/D 8.2 Chuyển đổi số-tơng tự D/A Chơng 236 247 Nguồn nuôi chiều 9.1 Các chỉnh lu không điều khiển 9.2 Bộ chỉnh lu có điều khiển 9.3 Mạch ổn ¸p kiĨu bï 9.4 C¸c vi m¹ch ỉn ¸p 9.5 Bộ ổn áp kiểu xung Tài liệu tham khảo Mục lôc 251 254 255 258 260 264 265 266 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt tμi liƯu tham kh¶o David J Comer, Electronics Design with Integrated Circuits Addision - Wesley Publishing Company, Inc., 1981 U Tietze, CH Schenk, Halbleiter Schaltungstechnik Springer - Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980 Kỹ thuật mạch bán dẫn, dịch tiếng Việt Trần Quang Huy, Trung tâm thông tin xuất bản, Tổng cục Bu điện, 1988 C J Savant, Martin S Roden, Gordon L Carpenter, Electronics Design - Circuits and System The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1995 Paul Horowitz, Winfield Hill, The art of Electronics Addision - Wesley Publishing Company, 1981 Phơng Xuân Nhàn, Tín hiệu, mạch hệ thống vô tuyến điện Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1980 Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 264 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chịu trách nhiệm xuất bản: Chủ tịch HĐQT kiêm tổng giám đốc Ngô Trần Phó tổng giám đốc kiêm tổng biên tập Nguyễn Quý Thao Biên tập sửa in: Dơng Văn Bằng Trình bày bìa: Hoàng Mạnh Dứa Chế bản: Trần Quang Vinh 267 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguyên lý Kỹ thuật ®iƯn tư M∙ sè: 76605M5_DAI In 1000 b¶n, khỉ 19 x 27, NXB Giáo dục Số in , số xuất In xong nộp lu chiểu tháng 11 năm 2005 268 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... − 02 M∙ sè : 7B594M2 Lêi nói đầu Tài liệu "Nguyên lý kỹ thuật điện tử" trình bày nguyên tắc hoạt động linh kiện mạch điện tử thông dụng Ngày kỹ thuật điện tử đợc áp dụng réng r∙i nhiỊu lÜnh vùc... tiêu giáo trình nghiên cứu nguyên lý kỹ thuật mạch điện tử Cụ thể mạch điện tử tơng tự Các mạch đợc thiết kế xây dựng sở kết nối linh kiện điện tử nh điện trở, tụ điện, cuộn cảm, dụng cụ bán.. .Trần Quang Vinh (Chủ biên) v Chử văn an NGUYêN Lí Kỹ thuật điện tử nh xuất giáo dục - 2005 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt