Giáo trình kỹ thuật điện tử

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI ****************** GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ( Lưu hành nội ) Tác giả : Th.S Nguyễn Thị Kiều Hương (chủ biên) MỤC LỤC MƠ ĐUN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Mã số mơ đun: MĐ 18 I Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị Mơ đun  Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí dạy sau học xong môn học chuyên môn linh kiện điện tử, điện tử bản,  Tính chất mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề  Ý nghĩa mô đun: giúp người học nắm bắt cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ dùng vi mạch  Vai trị Mơ-đun: Phán đốn có cố sảy mạch điều khiển khắc phục sửa chữa board điều khiển công nghiệp II Mục tiêu mô- đun : Sau học xong mơ đun học viên có lực Về kiến thức: - Trình bày nguyên lý hoạt động, công dụng mạch điện dùng vi mạch tương tự - Giải thích sơ đồ ứng dụng vi mạch tương tự thực tế * Về kỹ năng: - Phân tích nguyên nhân hư hỏng mạch ứng dụng dùng vi mạch tương tự - Kiểm tra, thay linh kiện hư hỏng mạch điện tử dùng vi mạch tương tự * Về thái độ: - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác thực cơng việc III NỘI DUNG CỦA MƠ ĐUN: Số TT Tên chương mục Mở đầu: Bài 1: Khuếch đại thuật toán Bài 2: Ứng dụng khuếch đại thuật toán Bài 3: Mạch dao động Tổng số Thời gian Lý Thực thuyết hành Kiểm tra 2 20 13 10 5 Bài 4: Mạch nguồn Bài 5: Các vi mạch tương tự thông dụng Tổng Cộng 10 18 12 1 60 20 36 MỞ ĐẦU Đây mô đun chuyên ngành học sau học viên hoàn tất mơ đun hổ trợ trước như: Linh kiện điện tử, mạch điện tử Sự phát triển công nghệ vi mạch làm gia tăng khả ứng dụng điện tử nhiều lĩnh vực Do mật độ tích hợp ngày cao nên thiết bị có nhiều tính hơn, giảm kích thước giá thành, q trình thiết kế thi cơng đơn giản, hoạt động với độ ổn định cao Chính việc nắm bắt cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ dùng vi mạch nói chung vi mạch tương tự nói riêng điều cần thiết cho công tác vận hành sửa chữa người công nhân ngành sửa chữa thiết bị điện tử cơng nghiệp Giáo trình xắp xếp theo trình tự phù hợp giúp cho người học đạt mục tiêu + Hiểu cấu tạo, đặc tính họ vi mạch tương tự mà op-amp + Nắm ứng dụng thơng dụng op-amp + Giải thích sơ đồ ứng dụng thực tế + Lắp ráp sửa chữa thiết bị điện tử dùng vi mạch tương tự + Xác định nguyên nhân gây hư hỏng thường xảy thực tế + Sửa chữa thay linh kiện hư hỏng + Kiểm tra điều kiện hoạt động thiết bị BÀI 1: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ12-1 Giới thiệu Ngày IC analog sử dụng rộng rãi kỹ thuật điện tử Khi sử dụng chúng cần đấu thêm điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo loại chức chúng Sơ đồ đấu trị số linh kiện cho sổ tay IC analog Các IC analog chế tạo chủ yếu dạng khuếch đại thuật toán - mạch khuếch đại lý tưởng - thực nhiều chức máy điện tử cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao.ở chương ta xét khuếch đại thuật toán số ứng dụng chúng Mục tiêu: - Trình bày ngun lý cấu tạo, đặc tính khuếch đại thuật toán - Nhận dạng loại IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng thực tế - Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Khái niệm Hình 1.1 Ký hiệu op- amp Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày sản xuất dạng IC tương tự (analog) Có từ "thuật tốn" lần chế tạo chúng người ta sử dụng chúng máy điện toán Do đời khuếch đại thuật toán mà mạch tổ hợp analog chiếm vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Trước chưa có khuếch đại thuật tốn tồn vô số mạch chức khác Ngày nay, nhờ đời khuếch đại thuật tốn số lượng giảm xuống cách đáng kể dùng khuếch đại thuật tốn để thực chức khác nhờ mạch hồi tiếp ngồi thích hợp Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật tốn tạo hàm đơn giản hơn, xác giá thành rẻ mạch khuếch đại rời rạc (được lắp linh kiện rời ) Ta hiểu khuếch đại thuật toán khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào đầu Thực tế người ta chế tạo KĐTT có tham số gần lý tưởng Hình 1.1a ký hiệu KĐTT : KĐTT ngày chế tạo IC nằm phần IC đa chức Tên gọi, khuếch đại thuật toán“ trước dùng để loại mạch điện sử dụng máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch nhằm thực phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân Khuếch đại thuật toán viết tắt OPs op-amp Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa kỹ thuật mạch đơn tinh thể ứng dụng rộng rãi kỹ thuật tương tự Điện áp chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán điện áp đối xứng ± VS, thông thường sơ đồ mạch không vẽ chân cung cấp điện áp Tuy nhiên, ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều sử dụng nguồn cấp điện đơn cực + VS – VS so với masse Khuếch đại thuật tốn có hai ngõ vào ký hiệu +Vin gọi ngõ vào không đảo ngõ vào P (positive) ngõ vào -Vin gọi ngõ vào đảo ngõ vào N(negative) hình 1.1 Tín hiệu ngõ vào khơng đảo pha với tín hiệu tín hiệu ngõ vào đảo ngược pha với tín hiệu ngõ Điện áp chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán điện áp đối xứng ± UB, thông thường sơ đồ mạch không vẽ chân cung cấp điện áp Tuy nhiên, ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều sử dụng nguồn cấp điện đơncực + UB – UB so với masse Khuếch đại thuật tốn có hai ngõ vào ký hiệu E+ gọi ngõ vào không đảo ngõ vào P (positive) ngõ vào E- gọi ngõ vào đảo ngõ vào N(negative) hình 1.1 Tín hiệu ngõ vào khơng đảo pha với tín hiệu tín hiệu ngõ vào đảo ngược pha với tín hiệu ngõ Đặc tính opamp Ký hiệu ngõ A, thông thường vi mạch khuếch đại thuật tốn có tối thiểu chân là: chân tín hiệu vào, chân tín hiệu chân cấp điện chiều, bảng trình bày đặc tính khuếch đại thuật toán lý tưởng so sánh với khuếch đại thuật toán thực tế Hiện hệ số khuếch đại mạch hở V0 điện trở ngõ vào re khuếch đại thuật toán thực tế gần với giá trị lý tưởng Cấu trúc họ IC khuếch đại thuật tốn thơng dụng 2.1 Giới thiệu Tên gọi „khuếch đại thuật toán“ trước dùng để loại mạch điện sử dụng máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch nhằm thực phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân Khuếch đại thuật tốn viết tắt OPs op-amp Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa kỹ thuật mạch đơn tinh thể ứng dụng rộng rãi kỹ thuật tương tự Cấu tạo bên khuếch đại thuật toán phức tạp, gồm nhiều linh kiện như: Điện trở, diode, transistor ngõ tầng khuếch đại cơng suất đẩy kéo, nói khuếch đại thuật toán linh kiện điện tử phức hợp với số thơng số xác định mà nhờ ứng dụng giãm số lượng linh kiện ngồi cần thiết việc tính tốn hệ số khuếch đại mạch trở nên đơn giản Hình 1.3 trình bày ký hiệu điện khuếch đại thuật toán 2.1 Cấu trúc mạch điện Khuếch đại gồm nhiều tầng khuếch đại ghép trực tiếp với chế tạo dạng vi mạch, tầng chia thành khối sau: • Khối ngõ vào • Khối khuếch đại điện áp • Khối ngõ Hình 1.2 Cấu trúc chung họ IC khuếch đại thuật toán Số lượng transistor, điện trở loại khuếch đại thuật tốn khác thường khơng giống Trong thực tế sử dụng cần quan tâm đến khối vào khối khuếch đại thuật tốn Hình 1.2 trình bày cấu tạo vi mach μA709 Khối vào khuếch đại vi sai BJT gồm hai transistor ráp theo kiểu khuếch đại cực phát chung, hai transistor dùng loại transistor trường nhằm tăng điện trở ngõ vào re mạch, để hạn chế mức điện áp vào vi sai E+ Ekhông lớn, vài loại khuếch đại thuật tốn có đặt diode song song ngược chiều hai ngõ vào Tiếp theo khối vào khối khuếch đại điện áp gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai tùy theo loại khuếch đại thuật toán, tín hiệu khối điều khiển khối khuếch đại công suất ngõ Cấu tạo khối mạch khuếch đại đơn với cực thu để hở (open collector), thông dụng mạch khuếch đại đãy-kéo (push pull) tải cực phát nhằm mục đích giảm điện trở ngõ nâng cao biên độ điện áp Hình 1.3 trình bày hai dạng cấu tạo ngõ khuếch đại thuật toán a Ngõ đẩy kéo b Ngõ cực thu để hở Hình 1.3 Cấu tạo hai mạch ngõ Đối với loại ngõ khuếch đại đẩy kéo, điện trở ra vào khoảng từ 30 Ω đến 100 Ω dòng tải lớn tùy theo loại mạch từ 10 mA đến 25 mA dòng tải củaloại cực thu để hở khoảng 70 mA Hiện nay, vi mạch khuếch đại thuật tốn chế tạo với ngõ có khả tự bảo vệ ngắn mạch Sơ đồ mạch điện IC khuếch đại thuật toán 741 Tầng thứ tầng khuếch đại vi sai đối xứng T1 T2 Để tăng trở kháng vàochọn dòng colectơ emitter chúng nhỏ, cho hỗ dẫn truyền đạt nhỏ Có thể thay T1 T2 transistor trường để tăng trở kháng vào T3, T4, R3, R4, R5 tạo thành nguồn dòng (ở T4 mắc thành điôt để bù nhiệt ) Tầng thứ hai khuếch đại vi sai đầu vào đối xứng, đầu không đối xứng: emitter chúng đấu vào nguồn dịng T3 Tầng có hệ số khuếch đại điện áp lớn Họ ISD2500 lặp thơng điệp chiếm hết vùng nhớ 4.8 Giản đồ thời gian Hình 5.27 Chu kỳ thu Hình 5.28 Chu kỳ phát 4.9 Ứng dụng 4.9.1 Sơ đồ ứng dụng ISD2560/75/90/120 Hình 5.29 Sơ đồ Giải thích Trong sơ đồ khối mạch ứng dụng vi điều khiển áp dụng chế độ nút nhấn nhắc thông điệp Vi điều khiển loại 16 chân có đủ chân port cho nút nhấn, LED ISD2500 Phần mềm viết cho nút : Một hai cho play record, chọn thông điệp Chú ý : Không nên ghép trực tiếp đường địa ISD với bus vi điều khiển mà nên chốt đường bên 4.9.2 Sơ đồ ứng dụng giao tiếp với vi điều khiển Hình 5.30 Giao tiếp với vi điều khiển Hình 5.31 Sơ đồ nút nhấn 4.9.3 Giản đồ thời gian sơ đồ nút nhấn Hình 5.32 Chế độ ghi Hình 5.33 Chế độ phát lại A9, A8 A6 = chế độ nút nhấn Trước tiên khởi động cạnh xuống CE Thiết bị bắt đầu hoạt động sau thời gian TPUD CE phải mức cao khoảng thời gian TDB trước nhận cạnh xuống khác CE để tạm dừng Chức tạm dừng thực thi cạnh xuống thứ hai CE xung chẳn Một lần nửa CE phải mức cao khoảng thời gian TDB trước tiếp nhận sườn xuống khác CE để khởi động lại hoạt động Thiết bị không giảm nguồn CE mức cao thời gian TDB Chức hồi phục sường xuống thứ ba CE xung lẻ Tại thời điểm mức cao PD kết thúc chức hành, xóa đếm địa giảm nguồn cho thiết bị BÀI TẬP TỔNG KẾT Bài 1: Một khuếch đại thuật tốn có hệ số khuếch đại mạch hở Ao = 80 dB điện áp tối đa Uamax = ± 12 V, Điện áp vào phải để điện áp đạt cực đại ? Giải Bài tập 2: Thiết kế mạch ổn áp DC cố định dùng LM309 với Vo = 10 V, A Vi = 15 V Giải Vì Io = A nên chọn LM309 vỏ TO-3 Do Vo = 10 V nên điện áp rơi R1 R2 dòng chảy qua chúng khác Dòng qua R1 R2 phải lớn 10 mA để đủ cung cấp dòng tĩnh IQ cho LM309 (khoảng 5,2 mA) Chọn IR2 = 20 mA, ta có: Theo số tay kỹ thuật thay đổi dịng tĩnh IQ tói đa 0,8 mA dịng IQ cao đến 10 mA Như vậy, giá trị thay đổi tối đa thay IC 5,6 mA, IQ thay đổi nên gây nên biến thiên điện áp ΔIQ(R1/R2) = 0,8 V, để khắc phục dùng biến trở cầu phân áp R1R2 để điều chỉnh 10 V, trị số biến trở vào khoảng 0,8 V/IQ hay 150 Ω Công suất rơi lớn LM309 tương ứng với dòng tải lớn PD = Iomax.(Vi-Vo) = A V = W Do cần phải giải nhiệt cho IC Bài tập 3: Tính chọn trị số linh kiện mạch ổn áp V, 10 A Đầu tiên phải chọn Q1 cho chịu cơng suất tiêu tán ngõ ngắn mạch PD = Vi.Iomax = 15 V 10 A = 150 W Chọn transistor có cơng suất 200 W, dòng Iomax LM309 Vi – Vo = 10 V loại vỏ TO-3 vào khoảng A, transistor phải có hệ số β = 15 IC = 10 A Tóm tắt thơng số Q1 VCE = 20 V; Icmax = 15 A VBE (tại IC = 10 A) = 0,9 V; PD = 200 W; b = 15 @ IC = 10 A IO(309) dòng từ 309 chọn lớn IBQ1 để bù sai số linh kiện VBE Q1 Nếu sai số 20% Io(309) = 1,2 IBQ1 I1 = 0,2 IBQ1, suy ra: R1 = VBEQ1 / (0,2.I BQ1) = 0,9 V / 134 mA = 6,7 Ω Nếu điện áp dẩn Q2 0,3 V, thì: R2 = VBEQ2 / I omax = 0,3 V / 10 A = 0,03 Ω Q2 chọn cho ICQ2 > IBQ1 tiêu tán công suất tối đa là: PD(Q2) = VI IBQ1 = 15 V 0,67 A = 10 W Giá trị tụ ngõ C = Q/V = I.t/V Với : V : Biến thiên điện áp cho phép I : Dòng tải tối đa T : Thời gian chuyển mạch tải logic tr + tf, dùng tụ khoảng 10 μF họ TTL Bài tập 4: Thiết kế nạp accu Có nhiều phương pháp để nạp lại accu acid-chì, số sẻ làm cho accu làm việc lại không làm cho accu trở trạng thái ban đầu, để bảo đảm cho accu nạp đầy đủ đạt tuổi thọ tối đa cần phải chọn kỹ thuật nạp thích hợp Trạng thái accu xác định tỉ trọng dung dịch điện giải Tỉ trọng 1,280 (đo hidro kế) cho biết accu đẫ nạp đầy Khi đo 1,250 lớn tốt Một accu xả hết có tỉ trọng 1,150 thấp Sau trình thiết kế nạp accu dựa vào điện áp nạp 2,4 V cho ngăn Mạch nạp cung cấp 14,4 V cho accu có ngăn với tốc độ lần tần số điện áp lưới Thiết kế có khả giới hạn dòng để bảo vệ nạp, giới hạn tốc độ nạp để ngăn phá hỏng accu xả điện Dòng nạp tối đa thường ¼ dung lượng Ah accu VD với accu có dung lượng 44 Ah dịng nạp tối đa 11 A Nếu tải cần dòng nạp lớn giới hạn 11 A mạch sẻ vào chế độ hạn dòng Biên độ xung nạp điều khiển để trì dịng nạp đỉnh tối đa 11 A (trung bình A) Mạch nạp gồm có phần chính: • Chỉnh lưu • Ổn áp • Giới hạn dịng • Phần tử điều khiển Phần chỉnh lưu Là loại chỉnh lưu tồn sóng dùng biến áp có điễm (hình 4.38) đạt hiệu suất tối đa với số linh kiện tối thiểu, yêu cầu điện áp đánh thủng VR diode là: VR > VThứ cáp (đỉnh) – VF VR > 20 1,414 -1 = 56 V Thiết kế chọn giới hạn dịng 11 A, nên dùng chỉnh lưu có dịng định mức khoảng 25 A để làm việc với dịng tối đa với đột biến dịng nào, chọn diode 1N1184 có thông số 35 A, 100 V Phần ổn áp Phần ổn áp bao gồm linh kiện sau: Z1, Q1, R1, R2 RB Z1 ổn áp song song TL431, đóng vai trị phần tử điều khiển Q1 transistor chuyển tiếp, R1, R2 dò điện áp đưa hồi tiếp Z1, R1 R2 chọn cho điện áp chân REF TL431 so với đất 2,5 V ứng với điện áp mong muốn Điện áp chân REF đưa vào khuếch đại sai biệt TL431 so sánh với chuẩn 2,5 V bên Khi điện áp hồi tiếp chân REF nhỏ chuẩn 2,5 V bên tổng trở anode với cathode TL431 cao làm giảm dòng rẻ qua TL431, dòng cực Q1 tăng lên làm tăng điện áp Khi điện áp hồi tiếp lớn chuẩn 2,5 V tổng trở TL431 giảm , dịng cực Q1 giảm điện áp giảm Do điện áp hồi tiếp dò từ ngõ ra, TL431 sẻ bổ cho thay đổi sụt áp nền-phát Q1 hay sụt áp RCL dòng điện khác Phần giới hạn dòng Phần bao gồm: Z2, Q1 RCL Giá trị điện trở giới hạn dòng RCL chọn cho sụt áp qua 2,5 V dòng giới hạn mong muốn Sụt áp RCL dò ổn áp song song Z2 (TL431) Khi dòng điện nhỏ dòng giới hạn, VREF < 2,5 V Z2 có tổng trở cao khơng ảnh hưởng đến hoạt động Q1 Khi dòng điện đạt đến tối đa lúc VREF = 2,5 V tổng trở Z2 giảm , làm giảm dòng cực Q1 làm giới hạn dòng điện Dưới điều kiện Z2 điều khiển transistor Q1 trì dịng điện khơng đổi ngắn mạch R3 thêm vào để bảo vệ Z2 RCL hở mạch Phần tử điều khiển Phần tử điều khiển transistor công suất Darlington điều khiển Z1 Z2 tùy theo trạng thái accu nạp Đặc tính Q1 quan trọng cho việc xác định thiết kế mạch lựa chọn biến áp nguồn Các giá trị R1 R2 đặt mức điện áp 2,4 V cho ngăn accu hay 14,4 V cho accu ngăn Để bảo đảm Z1 hoạt động tốt nên chọn dòng chảy qua R1 R2 mA.Do đó: Để dể điều chỉnh dùng biến trở 20 KΩ thay cho R1 Việc giới hạn dịng bắt đầu có sụt áp 2,5 V RCL giới hạn dòng mong muốn, accu 44 Ah, dòng nạp tối đa 11 A Do đó: Sau chọn Q1, tính điện trở cực RB Theo sổ tay, thông số TIP642 sau: hFE (MIN) @ 11 A 500 VCE = V; VBE = 1,6 V PMAX = 160 W @ 400C IB = 22 mA dịng cực thu đỉnh 11 A Tính RB trường hợp xấu (ngắn mạch), đó: Trong RB phải đủ nhỏ để khơng làm giới hạn dòng cực Q1 dòng nạp ICHG = A RB phải đủ lớn để giớ hạn dòng bị ngắn mạch Giá trị phải nhỏ tổng dòng cực Q1 với dòng cực đại qua Z2 Giá trị RB khoảng đủ để lái Q1 với dòng nạp I CHG = A, nhiên cho phép điều khiển toàn Q1 Z2 trường hợp ngắn mạch RB chọn 200 Ω TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [2]Thiết kế xây dựng mạch điện quanh ta - Tăng Văn Mùi, Trần Duy Nam - NXB khoa học kỹ thuật [3] 110 mạch ứng dụng op-amp - R M MARSTON [4] Kĩ thuật điện tử - Đỗ xuân Thụ NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 ... "thuật tốn" lần chế tạo chúng người ta sử dụng chúng máy điện toán Do đời khuếch đại thuật toán mà mạch tổ hợp analog chiếm vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Trước chưa có khuếch đại thuật. .. nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa kỹ thuật mạch đơn tinh thể ứng dụng rộng rãi kỹ thuật tương tự Điện áp chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán điện áp đối xứng ± VS, thông thường... MΩ a) Điện áp vào điện áp cực đại ? b) Dịng vào khuếch đại thuật tốn điện áp cực đại ? c) Dòng khuếch đại thuật toán điện áp cực đại ? cho biết tải RL = KΩ RA = 75 Ω Điện áp khuếch đại thuật