Bài giảng Điện tử cơ bản 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Nội dung bài giảng Điện tử cơ bản nghiên cứu các mạch điện tử chức năng mà trong đó đáp ứng được việc học tập của sinh viên ĐH công nghệ Điện-Điện tử. Tập bài giảng gồm 8 chương được trình bày như sau: ghép giữa các tầng khuếch đại, mạch khuếch đại có hồi tiếp, mạch khuếch đại tần số cao, khuếch đại vi sai, mạch giao động,...

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ Xà HỘI Tr­êng đại học sư phạm kỹ thuật nam định Nhúm tỏc giả: Th.s Nguyễn Thị Hòa Th.s Trần Thanh Sơn Th.s Hoàng Thị Phương TẬP BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Mó s: Nam Định, năm 2015 Lời Nói đầu Ngày phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật công nghệ, đặc biệt công nghệ kỹ thuật điện tử đà mang lại nhiều thay đổi to lớn sâu sắc đời sống, trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao Các hệ thống điện tử như: truyền thanh, truyền hình, hệ thống thông tin, hệ thống đo lường, hệ thống điều khiển tự động, hệ thống máy tính,ngày phát triển tập hợp mạch điện tử chức nhằm thực nhiệm vụ kỹ thuật định Nội dung học phần Điện tử nghiên cứu mạch điện tử chức mà đáp ứng việc học tập sinh viên Đại học công nghệ Điện - Điện tử, nhóm đà biên soạn tập giảng Điện tử Tập giảng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành tự động hóa, tin học, sinh viên chuyên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực điện tử Tập giảng gồm chương - Chương 1: Ghép tầng khuếch đại - Chương 2: Mạch khuếch đại có hồi tiếp - Chương 3: Mạch khuếch đại tân số cao - Chương 4: Mạch khuếch đại công suất - Chương 5: Khuếch đại vi sai, Khuếch đại thuật toán - Chương 6: Mạch dao động - Chương 7: Mạch điều chế giải điều chế - Chương 8: Mạch cung cấp nguồn Nội dung chương cung cấp kiến thức mạch điện, tác dụng linh kiện, nguyên lý làm việc, tham số, đặc điểm vận dụng mạch điện tử mạch khuếch đại công suât âm tần, khuếch đại cao tần, khuếch đại vi sai, khuếch đại thuật toán,mạch dao động, mạch điều chế giải điều chế, mạch cấp nguồn Cuối học trình có phần câu hỏi tập giúp sinh viên ôn tập hệ thống kiến thức Trong trình biên soạn nhóm đà bám sát chương trình môn học nhà trường ban hành, đà cố gắng thể nội dung bản, đại gắn với công nghệ Tuy nhiên khả có hạn, hạn chế thời gian nên không tránh khỏi sai sót Rất mong nhận đóng góp chân thành đồng nghiệp bạn đọc để tập giảng ngày hoàn thiện Nhóm tác giả i Lời Nói đầu Mc lc Chương 1: Ghép tầng khuếch đại 1.1 Kh¸i niƯm 1.2 Ghép tầng tụ điện (ghép RC) 1.2.1 Mạch điện 1.2.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dông 1.3 Ghép tầng biến áp 1.3.1 Mạch điện 1.3.2 Đặc điểm, ph¹m vi øng dơng 1.4 GhÐp trùc tiÕp 1.4.1 Mạch điện 1.4.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 10 1.5 GhÐp quang 11 1.5.1 Mạch điện 11 1.5.2 Đặc điểm, phạm vi ứng dụng 12 1.6 Sơ đồ Darlington 12 1.6.1 Sơ đồ 12 1.6.2 Đặc điểm, phạm vi øng dông 13 1.7 Sơ đồ Cascode 14 1.7.1 Mạch điện 14 1.7.2 Đặc ®iĨm, ph¹m vi øng dơng 16 Câu hỏi tËp ch­¬ng 17 Chương Mạch khuếch đại cã håi tiÕp 18 2.1 Kh¸i niƯm 18 2.1.1 Định nghÜa 18 2.1.2 Phân loại 18 2.2 Phân tích tầng khuếch đại có hồi tiếp 20 2.3 ảnh hưởng hồi tiếp âm lên tham số khuếch đại 21 2.3.1 ảnh hưởng đến độ ổn định hệ số khuếch đại 21 2.3.2 ¶nh h­ëng đến dải tần khuếch đại 23 2.3.3 ¶nh h­ëng cđa håi tiÕp âm đến trở kháng vào khuếch đại 24 2.3.4 ảnh hưởng hồi tiếp âm đến trở kháng khuếch đại 25 2.3.5 ảnh hưởng hồi tiếp âm dến dải ®éng vµ mÐo phi tuyÕn 27 2.4 Phân tích số mạch khuếch đại có hồi tiếp ©m 28 2.4.1 M¹ch hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp 28 ii 2.4.2 M¹ch håi tiÕp âm điện áp nối tiếp .29 2.4.3 Hồi tiếp âm dòng điện song song 30 2.4.4 Hồi tiép âm điện áp song song 31 Câu hỏi tập chương .32 Chương 3: Mạch khuếch đại tÇn sè cao 33 3.1 Đặc điểm mạch khuếch đại tÇn sè cao: 33 3.2 Tầng khuếch đại cao tần có tải không cộng hưởng 34 3.2.1 Đặc ®iÓm 34 3.2.2 Sơ đồ mạch điện 35 3.3 Mạch khuếch đại cao có tải mạch cộng hưởng 37 3.3.1 Mạch khuếch đại cao tần dùng BJT 38 3.3.2 K§ cao tÇn dïng FET 42 3.4 Khuếch đại cao tần d¶i réng 43 3.4.1 Đặc điểm .43 3.4.2.Các biện pháp mở rộng dải tần khuếch đại 44 Câu hỏi tập chương .52 Chương Mạch khuếch đại c«ng suÊt 53 4.1 Kh¸i niƯm 53 4.1.1 Đặc điểm tầng khuếch đại công suất 53 4.1.2 Các tham số tầng khuếch đại c«ng suÊt 53 4.1.3 Các chế độ công tác định điểm làm việc cho tầng khuếch đại công suất 54 4.2 Khuếch đại công suất chế độ A 55 4.2.1 Khuếch đại công suất tải điện trở 55 4.2.2 Khuếch đại công suất tải biến ¸p 61 4.3 Khuếch đại công suất chế độ B, AB 63 4.3.1 KhuÕch đại công suất đẩy kéo song song .63 4.3.2 Khuếch đại công suất mắc ®Èy kÐo song song dïng transistor cïng lo¹i 69 4.3.3 Khuếch đại công suất mắc đẩy kéo nối tiếp dùng transistor bù 74 4.3.4 Tầng khuếch đại c«ng st cã c«ng st lín 80 4.4 IC khuếch đại công suất âm tÇn 80 4.4.1 Giới thiệu số IC khuếch đại công suất âm tần .80 4.4.2 Một số mạch khuếch đại công suất dùng IC 84 4.5 Khuếch đại công suất chế độ khác 86 4.5.1 Khuếch đại công suất chế độ C .86 4.5.2 Khuếch đại công suất chế độ D 88 Câu hỏi tập chương .90 Chương 5: KHUẾCH ĐẠI VI SAI, KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 92 iii 5.1 Khuếch đại vi sai 92 5.1.1 Mạch điện 92 5.1.2 Chế độ chiều 93 5.1.3 Chế độ đơn Error! Bookmark not defined 5.1.4 Chế độ vi sai 98 5.2 Khuếch đại thuật toán (OPAM) 99 5.2.1 Khái niệm khuếch đại thuật toán 99 5.2.2 Mạch khuếch đại đảo 103 5.2.3 Mạch khuếch đại không đảo 104 5.2.4 Mạch khuếch đại so sánh 105 5.2.5 Mạch cộng 105 5.2.6 Mạch trừ 107 5.2.7 Mạch tích phân 108 5.2.8 Mạch vi phân 109 5.2.9 Các mạch biến đổi hàm số 109 BÀI TẬP CHƯƠNG 110 Chương 6: Mạch dao động 115 6.1 Kh¸i niƯm 116 6.1.1 Điều kiện dao động 116 6.1.2 Đặc điểm mạch tạo dao động 118 6.1.3 ổn định tần số biên độ dao động: 119 6.2 Mạch dao động tín hiệu d¹ng sin 121 6.2.1 Mạch tạo dao động LC 121 6.2.2 Mạch dao động thạch Anh 128 6.2.3 Mạch dao động RC 132 6.3 Mạch dao động xung 139 6.3.1 Kh¸i niƯm vỊ tÝn hiƯu xung 139 6.3.2 M¹ch dao ®éng ®a hµi dïng BJT 141 6.3.3 Mạch tạo xung vuông dïng K§TT 144 6.3.5 Mạch dao động Blocking 148 6.3.6 M¹ch t¹o xung tam gi¸c 151 6.4 VCO - Volgate Controlled Oscilator (Bé tạo dao động điều chỉnh tần số ®iƯn ¸p) 155 6.4.1 Kh¸i niƯm 155 6.4.2 M¹ch VCO 155 6.5 Mạch tổng hợp tần số ứng dụng PLL - Phase Locked Loop 156 6.5.1 Kh¸i niƯm 156 iv 6.5.2 C¸c khèi chÝnh cđa PLL 157 6.5.3 C¸c øng dơng cđa PLL 158 C©u hỏi tập chương .160 Chương 7: M¹ch điều chế giải điều chế 164 7.1 §iỊu chÕ (Modulation) 164 7.1.1 Kh¸i niƯm vỊ ®iỊu chÕ 164 7.1.2 Điều chế biên độ (AM - Amplitude Modulation ) 164 7.1.3 Điều tần, điều pha .175 7.2 Giải điều chế (Tách sãng) 181 7.2.1 Khái niệm giải điều chế (Demodulation) .181 7.2.2 Tách sóng điều biªn 182 7.2.3 Tách sóng điều tần 186 C©u hái tập chương .193 Chương : M¹ch cung cÊp nguån .194 8.1 Khái niệm mạch cung cấp nguồn .194 8.2 M¹ch chØnh l­u 194 8.3 Lọc thành phần xoay chiều dòng điện tải 203 8.3.1 Kh¸i niƯm 203 8.3.2 Läc b»ng tơ ®iƯn 204 8.3.3 Läc b»ng cuén c¶m L 205 8.3.4 Lọc hỗn hợp 205 8.3.5 M¹ch läc tÝch cùc 206 8.4 M¹ch ỉn ¸p bï 207 8.4.1 ỉn ¸p tham sè .207 8.4.2.Nguyên lý ổn áp bù tuyến tính .208 8.4.3 M¹ch æn ¸p bï dïng Transistor 209 8.5 Vi mạch ổn áp 213 8.5.1 Kh¸i niƯm 213 8.5.2 S¬ đồ ổn áp có điện áp cố định dùng IC 78XX vµ 79XX 213 8.6 ỉn ¸p xung 215 8.6.1 Kh¸i niƯm ỉn ¸p xung 214 8.6.2 Ngun lý ỉn ¸p xung 215 Câu hỏi tập chương .218 Tµi liƯu tham khảo v Chương Ghép tầng khuếch đại 1.1 Khái niệm Ghép tầng khuếch đại thực truyền đạt tín hiệu từ tầng sang tầng cho lượng tổn hao nhỏ Sơ đồ khối mô tả mạch ghép tầng hình vẽ 1.1: Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch ghép tầng khuếch đại Ngoài nhiệm vụ truyền đạt tín hiệu, mạch ghép tầng có nhiệm phối hợp trở kháng tầng Điều kiện để phối hợp trở kháng hai tầng: M ran M vaon1 Trong đó: (1.1) Z ran  Z vaon1 M: Møc ®iƯn Z: Trở kháng Ngoài ra, để đáp ứng hệ số khuếch đại thực tế người ta thường phải dùng nhiều tầng khuếch đại, phải ghép tầng khuếch đại với Chẳng hạn thực ghép n tầng hình 1.1 Ví dụ tăng âm với tín hiệu vào nhỏ (tín hiệu đầu từ 200V, Micro 2mV) tăng âm phải có tầng khuếch đại Đầu tiên tầng khuếch đại micro hay khuếch đại đầu từ (có mạch sửa đặc tuyến đầu từ) mức 0dB Sau tầng tiền khuếch đại, tầng kích cuối tầng khuếch đại công suất Hệ số khuếch đại khuếch đại gồm nhiều tầng tính sau: K u K u1  K u    K ui    K un K u   K ui (Np) n i 1 K u : HÖ sè khuÕch đại khuếch đại đà ghép tầng K ui : Hệ số khuếch đại tầng thứ i (1.2) (1.3) Tính theo đơn vị dB ta có: 20log Ku  20 log Ku1  20 log Ku    20log Kui    20log Kun 20log K u  20 log Kui n i (dB) (1.4) (1.5) Việc ghép tầng khuếch đại dùng tụ điện, biến áp, ghép trực tiÕp, ghÐp b»ng phÇn tư quang,… 1.2 GhÐp tÇng b»ng tụ điện (ghép RC) 1.2.1 Mạch điện Hình 1.2 Mạch ghép tầng tụ điện a Tác dụng linh kiện: Q1 , Q2 : tầng khuếch đại mắc E chung ghép với qua tụ C3 , Rg Q1 , Q2 : làm việc chế độ A R1 , R2 : định thiên, phân áp (phân cực) cho Q1 R5 , R6 :định thiên, phân áp (phân cực) cho Q2 R3 , R7 : trở tải chiỊu vµ xoay chiỊu cđa Q1 , Q2 C4 ,C5 : tho¸t mass xoay chiỊu cho cùc E cđa Q1 , Q2 (khử hồi tiếp âm mặt xoay chiỊu cđa Q1 , Q2 Rg: trë ghÐp tÇng C3 : tơ ghÐp tÇng C1 : tơ dÉn tÝn hiƯu vµo C2 : tơ dÉn tÝn hiƯu R4 , R8 : trở ổn định điểm làm việc cho Q1 , Q2 (trë ỉn nhiƯt cho Q1 , Q2 ) b Nguyên lý làm việc Chế độ chiều: Khi cÊp nguån cho m¹ch: I b1 : Tõ  Ec qua R1 qua rbeQ1 qua R4 vÒ mass I c1 : Tõ  Ec qua R3 qua rceQ1 qua R4 vÒ mass I b : Tõ  Ec qua R5 qua rbeQ qua R8 vÒ mass I c : Tõ  Ec qua R7 qua rceQ qua R8 vỊ mass ChÕ ®é xoay chiỊu: TÝn hiệu đưa vào đầu vào Q1 , Q1 khuếch đại Điện áp sau khuếch đại lấy cực Collector Q1 ghép qua tụ C3 , đưa vào đầu vào Q2 khuếch đại tiếp Cụ thể: Giả sử tín hiệu vào có dạng sin: +/ 1/2 chu kỳ đầu, tín hiệu vào pha dương lúc U beQ1 tăng lên dẫn đến Q1 tăng dẫn suy I c1 tăng lên dẫn đến U ceQ1 giảm tụ C3 xả điện qua R6 Tõ (+ C3 ) qua rceQ1 qua R4 qua R6 vỊ (  C3 ) Khi tơ C3 x¶ gây sụt áp R6 (trên âm, dương) làm cho VBQ giảm dẫn đến U beQ giảm suy Q2 giảm dẫn làm cho dòng I c giảm dẫn đến U ceQ2 tăng lên vËy tÝn hiƯu ë pha d­¬ng +/ 1/2 chu kỳ sau, tín hiệu vào pha âm lúc ®ã U beQ1 gi¶m ®i dÉn ®Õn Q1 gi¶m dÉn làm cho I c1 giảm dẫn đến U ceQ1 tăng lên tụ C3 nạp điện: Từ EC qua R3 qua C3 qua R6 vÒ mass Khi tụ C3 nạp gây sụt áp R6 (trên dương, âm) làm cho VBQ tăng lên làm cho U beQ tăng lên dẫn đến Q2 tăng dẫn suy I c tăng lên làm cho U ceQ2 giảm đi, tín hiệu pha âm Cả nửa chu kỳ tín hiệu vào có dòng qua tải c Các thông số mạch (ZV, Zr, Ku, Ki) +/ Trở kháng vào m¹ch (ZV) Zv =R12 //rBE1 ; R12  R1  R2 R1 R2 rBE tính dựa vào hình vÏ 1.3 nh­ sau: rBE  cot g (1.6) (1.7) 8.4 Mạch ổn áp bù 8.4.1 ổn áp tham số -Phần lớn thiết bị điện tử yêu cầu ®iƯn ¸p chiỊu cung cÊp cã ®é ỉn ®inh cao vµ néi trë cđa bé ngn cung cÊp cã trị số nhỏ Trong trình làm việc thay ®ỉi cđa ®iƯn ¸p xoay chiỊu, sù thay ®ỉi cđa tải làm cho điện áp chiều cung cấp thay đổi - Việc ổn định điện áp xoay chiều ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế điện áp lưới thay đổi nhiều HiƯn dïng phỉ biÕn c¸c bé ỉn ¸p mét chiều phương pháp : ổn áp bù tuyến tính, ổn áp xung Để hiểu rõ nguyên lý ổn áp bù trước hết ta có khái niệm ổn áp kiểu tham số */ Mạch điện Hình 8.17 a) Mạch ổn áp kiểu tham số ; b) Đặc tuyến Diode Zener Rt điện trở hạn chế dòng qua Diode DZ: Diode Zener, phân cực ngược làm việc chế độ đánh thủng điện (đặc tuyến V A hình 8.17b) Khi xảy đánh thủng điện Dòng qua diode tăng nhanh dẫn đến điện áp đầu Diode không đổi + Nguyên lý làm việc: - Khi điện áp UV tăng điện áp Ur có xu hướng tăng lúc dòng qua Diode tăng làm cho điện áp R1 tăng, kết Uz ổn định Do điện áp cấp cho tải ổn định Khi điện áp UV giảm điện áp Ur có xu hướng giảm lúc dòng qua Diode giảm làm cho điện áp R1 giảm, kết Uz ổn định Do điện áp cấp cho tải ổn định Khi sử dụng mạch ổn áp tham số (ổn áp dùng Diode Zener) cần lưu ý: + Điện áp ổn định DZ: Tùy theo loại DZ có trị số UZ khác + Khi cần điện ¸p cao cã thĨ m¾c nèi tiÕp c¸c Dz * Đặc điểm ổn áp tham số : 207 Mạch đơn giản, tiết kiệm, chất lượng ổn áp thấp phù hợp với tải tiêu thụ dòng nhỏ không thay đổi mức điện áp cấp cho tải theo yêu cầu, hiệu suất thấp 8.4.2.Nguyên lý ổn áp bù tuyến tính Để nâng cao chất lượng điện áp cấp cho tải, người ta thường dùng ổn áp kiểu bù (còn gọi ổn áp so sánh, ổn áp có håi tiÕp) Tïy theo cÊu tróc cã hai d¹ng ỉn áp bù bản: + ổn áp bù nối tiếp: Phần tử điều chỉnh nối tiếp với tải + ổn áp bù song song: Phần tử điều chỉnh song song với tải Mạch ổn áp bù nối tiếp có độ ổn định cao có hiệu suất lớn hơn, nên dùng phổ biến thực tế ta chủ yếu di phân tích mạch ổn áp bù nối tiếp Sơ đồ khối Hình 8.18 a) Sơ đồ khối mạch ổn áp bù nối tiếp; 208 Nhiệm vụ khối -Tạo điện áp mẫu: Lấy phần điện áp đầu đưa vào khuếch đại so sánh -Tạo điện áp chuẩn: Tạo điện áp chuẩn đưa đến khuếch đại so sánh - Khuếch đại so sánh: So sánh điện áp chuẩn điện áp mẫu Mức độ sai lệch hai điện áp khuếch đại đưa đến điều khiển hoạt động phần tử điều chỉnh -Phần tử điều chØnh: Cã t¸c dơng nh­ mét biÕn trë, cã néi trở thay đổi được, nội trở phần tử điều chỉnh phụ thuộc vào điều khiển điện áp đầu khuếch đại so sánh Nguyên lý chung Khi điện áp vào thay đổi, điện áp có xu thay đổi, điện áp mẫu đưa vào khuếch đại so sánh thay đổi Bộ khuếch đại so sánh so sánh điện áp mẫu với điện ¸p chn Mäi sù sai lƯch cđa ®iƯn ¸p phát khuếch đại Điện áp đầu khuếch đại so sánh đưa đến khống chế phần tử điều chỉnh làm cho nội trở phần tử điều chỉnh thay đổi cách tương ứng Ta cóUr =Uv - Uđc Khi Uv Uđc biến đổi chiều gia số Ur ổn định Giả sử Uv tăng, Ur Um tăng điện áp đầu khuếch đại so sánh đưa đến khống chế phần tử điều chỉnh, làm cho nội trở phần tử điều chỉnh tăng lên, Uđc tăng lên cách tương ứng Do điện áp không tăng Khi điện áp vào giảm, trình xảy ngược lại làm cho điện áp không giảm Như nhờ có mạch ổn áp bù, điện áp vào thay đổi, điện áp ổn định Mạch ổn áp bù song songcó nguyên lý làm việc tương tự, có khác nội trở phần tử điều chỉnh thay đổi điều chỉnh giảm áp Rđc theo xu hướng bù lại tăng giảm điện áp vào điện áp ổn định Với mạch ổn áp bù tuyến tính có điện áp rơi phần tử điều chỉnh, gây tổn hao lượng, hiệu suất mạch thấp Đối với sơ đồ ổn áp bù song song, tổn hao phần tử điều chỉnh, tổn hao Rđc nên hiệu suất thấp so với ổn áp bù nối tiếp 8.4.3 Mạch ổn áp bù dùng Transistor Mạch ổn áp bù dùng transistor loại a Sơ đồ mạch điện 209 Uc Uv Q1 R1 R2 R4 R3 VR Q2 Um Dz Ur(ổn) Rt R5 Hình 8.19 Mạch ổn áp bù dùng transistor loại b.Tác dụng linh kiện: Q1: Phần tử điều chỉnh Q2: Khuếch đại so sánh R3, Dz: ổn áp tham số tạo điện áp chuẩn R4,VR, R5: Phân áp tạo điện áp mẫu R2: Hạn dòng cho Q1 R1: tải Q2, đồng thời định thiên cho Q1 c Nguyên lý lµm viƯc Ta cã: U m  U r  ( R5  VR ) ( R4  R5  VR ) (8.22) Mặt khác Um = UDZ +UBE2 ( R  R5  VR ) Suy ra: U r  (U DZ  UBE ) ( R5  VR ) (8.23) (8.24) +/ Giả sử Uv tăng, Ur có xu tăng, làm cho điện áp cầu phân áp gồm R4, R5, VR tăng, dẫn đến Um tăng mà Um=UBE +UDz UDZ ổn nên UBE2 tăng, dẫn đến Q2 dẫn mạnh, suy VB1 giảm, tức UBE1 giảm dẫn đến Q1 dẫn yếu, suy UCE1 tăng, Uđc tăng mà Ur= Uv - Uđc ,Uv tăng, Uđc tăng, suy Ur ổn định 210 +/ Giả sử Uv giảm, Ur có xu giảm, làm cho điện áp cầu phân áp gồm R4, R5, VR giảm, dẫn đến Um giảm mà Um=UBE +UDz UDZ ổn nên UBE2 giảm, dẫn đến Q2 dẫn yếu, suy VB1 tăng, tức UBE1 tăng dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy UCE1 giảm, Uđc giảm mà Ur= Uv - Uđc ,Uv giảm, Uđc giảm, suy Ur ổn định Nếu dòng tải tăng, làm cho Ur giảm đi, điện áp mẫu giảm dẫn đến Q2 dẫn yếu ,suy IC2 giảm, dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy UCE1 giảm, làm cho Ur không giảm Khi dòng tải giảm, trình xảy ngược lại Tóm lại: Mạch tác động cho điện áp vào thay đổi, điện áp phần tử điều chỉnh thay đổi cách tương ứng, làm cho điện áp ổn định Vì gọi ổn áp bù tuyến tính Khi cần điện áp có cực tính âm, ta dùng sơ đồ hình vẽ 8.20 Hình 8.20 Mạch ổn áp dùng Transistor loại PNP Mạch ổn áp bù dùng transistor khác loại a Sơ đồ mạch điện 211 R 20/2W Udc Uv Q1 R1 Ur(ổn) R4 Dz R2 VR Q2 Um R3 Rt R5 Hình 8.21 Mạch ổn áp bù dùng transistor khác loại b Nguyên lý làm việc +/ Giả sử Uv tăng, Ur có xu tăng, làm cho điện áp cầu phân áp gồm R4, R5, VR tăng, dẫn đến Um tăng mà Um=UBE +UR3 UDZ ổn nên UR3 tăng nhanh so Um, nên suy UBE2 giảm dẫn đến Q2 dẫn yếu, suy VB1 tăng, tức UBE1 tăng dẫn đến Q1 dẫn yếu, suy UCE1 tăng, Uđc tăng mà Ur = Uv - Uđc ,Uv tăng, Uđc tăng, suy Ur ổn định +/ Giả sử Uv giảm, Ur có xu giảm, làm cho điện áp cầu phân áp gồm R4, R5, VR giảm, dẫn đến Um giảm mà Um = UBE +UR3 UDZ ổn nên UR3 giảm nhanh Um, suy UBE2 tăng dẫn đến Q2 dẫn mạnh, suy VB1 giảm, tức UBE1 giảm dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy UCE1 giảm, Uđc giảm mà Ur = Uv - Uđc ,Uv giảm, Uđc giảm, suy Ur ổn định Các biện pháp nâng cao chất lượng ổn áp bù Để nâng cao độ ổn định mạch ổn áp bù dùng biện pháp sau đây: Phần tử điều chỉnh mắc theo sơ đồ Darlington, hình 8.22 Bộ khuếch đại so sánh dùng đến tầng dùng OPAM Có thể dùng tầng khuếch đại vi sai để khắc phục việc trôi điểm làm việc 212 Hình 8.22 Mạch ổn ¸p bï dïng Transistor 8.5 Vi m¹ch ỉn ¸p 8.5.1 Khái niệm -Để thu nhỏ kích thước chn hãa c¸c tham sè cđa bé ỉn ¸p chiỊu kiĨu bï tun tÝnh, ng­êi ta chÕ t¹o chóng d­íi d¹ng vi m¹ch Do vËy thn tiƯn cho viƯc sử dụng -IC ổn áp có dòng khoảng 100mA đến vài A chí vài chục A, điện áp cố định điều chỉnh Công suất tiêu tán vài W đến vài chục W Khi sử dụng phải tra cứu sổ tay để biết tham số sơ đồ bố trí chân IC Các IC ổn áp thông dụng nay: 78XX, 79XX, LM105, LM309, LM317, ví dụ IC 78XX có hình dạng hình vẽ: Các IC ổn áp cấu trúc bao gồm khối: Tạo điện áp chuẩn, Tạo điện áp mẫu, Khuếch đại so sánh, Phần tử điều chỉnh, Bảo vệ tải Với loại có chân (ví dụ họ 78 79) điện áp có trị số cố định 78xx input GND output Hình 8.23 Sơ đồ chân IC họ 78xx 8.5 Sơ đồ ổn áp có điện áp cố định dùng IC 78XX 79XX -Sơ đồ ổn áp hình vẽ 8.24 213 Hình 8.24 Mạch ổn áp dùng IC họ 78xx, 79xx 8.5.3 Sơ đồ ổn áp dùng IC có điện áp điều chỉnh -Sơ đồ dùng IC LM317như hình vẽ 8.25 Hình 8.25 Mạch ổn áp điện áp điều chỉnh dùng IC LM317 - Với sơ đồ ta điều chỉnh điện áp đầu R1 VR Dòng điện qua chân điều chỉnh phải nhỏ 100A Điện áp đầu tính xấp xỉ U r 1, 25(1 VR ) R1 - Giá trị R1 chọn cho dòng điện qua chân điều chỉnh phải nhỏ 100A kết nối R1 VR cầu phân áp Khi điện áp chân điều chỉnh chân phải có điện áp định 1,25V - Điên áp đầu nhỏ điện áp đầu vào IC 3V Như muốn có điện áp điều chỉnh từ 1,25 đến 10V điện áp đầu vào IC phải lớn 13 V - IC LM317 cho điện áp từ 1,25V đến 25V dòng 1,5A( phải có tỏa nhiệt) * Ưu nhược điểm ổn áp bù tuyến tính - Ưu điểm điện áp bù tuyến tính chất lượn ổn áp cao cho phép biến đổi điện áp mội giới hạn định 214 - Tuy nhiên bé ỉn ¸p bï tun tÝnh cã hiƯu st thÊp tổn hao công suất phần tử điều chỉnh lớn Mặt khác với điện áp bù nối tiếp phần tử điều chỉnh bị chập điện áp cung cấp cho tải điện áp chiều chưa ổn gây ran guy hiểm cho tải - Để khắc phục nhược điểm ổn áp bù tun tÝnh hiƯn th­êng sư dơng c¸c bé ỉn áp xung( ổn áp không liên tục) 8.6 ổn áp xung 8.6.1 Kh¸i niƯm ỉn ¸p xung -Ngn ỉn ¸p xung gọi nguồn ổn áp ngắt mở (Switching Power supply) có mạch nguyên lý hình 8.26 *Nguyên lý ổn áp xung Hình 8.26 a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ xung Uv thay đổi + Điện áp chiều cung cấp cho mạch ổn áp Uv + Khóa K đóng mở theo chu kỳ T Nguyên lý làm việc sau: Do khóa K đóng mở theo chu kì T nên điện áp tải Ur có dạng xung vuông Khi K đóng điện áp Uv, K mở điện áp Ur =U0 = 215 Giá trị trung bình điện áp tải tính: U r U Trong ®ã: U v  T : Thêi gian tån t¹i xung (®é réng xung) T: Chu kú xung -Tõ biĨu thức ta thấy điện áp vào thay đổi muốn điện áp ổn định dùng biện pháp sau: Giữ nguyên chu kì T thay đổi độ rộng xung (giả xử Uv tăng, để Ur ổn định phải giảm thời gian tồn xung ) Giữ thời gian tồn xung thay đổi chu kì T Có thể thay đổi T Thông thường để ổn định điện áp giữ nguyên T thay đổi độ rộng xung Để thực hiƯn nguyªn lÝ trªn ta thay khãa K b»ng transistor, việc điều khiển đóng mở transistor thực xung điều khiển theo sơ đồ khối nguyên lý ổn áp xung trình bày phần 8.6.2 Nguyờn lý ổn áp xung Sơ đồ khối nhiệm vụ khối Tr B+ Start Drive SW L1 C1 L2 Amp + Lấy mẫu V0 Tr: biÕn ¸p xung Điều chế xung (PWM) OSC D1 L3' C2 L3 C3 D2 L4 Khi cỏch ly Hình 8.27 Sơ ®å khèi ngn ỉn ¸p xung 216 V01 V02 Khèi Start: Tạo điện áp mồi cho SW bắt đầu cấp nguồn (thường R RC) Khối SW: Là Transistor công suất thực đóng cắt liên tục, thời gian dẫn tần số đóng cắt SW làm thay đổi giá trị điện áp đầu Khối Driver: Mạch khuếch đại đệm thực khuếch đại xung ®iỊu khiĨn ®đ lín ®Ĩ ®iỊu khiĨn SW Khèi với khối khuếch đại xung để thực khuếch đại Khối lấy mẫu: Nhận điện áp V0 đầu để xác định giá trị điện áp ra, đưa vào mạch điều chế độ rộng xung, để thay đổi độ rộng tần số xung để điện áp ổn định Khối OSC: Mạch dao động tạo xung (biến đổi xung vuông thành cưa) Khối điều chế xung: Thực trình thay đổi độ rộng tần số phụ thuộc vào điện áp V0 (thực điều chế độ rộng xung -PWM ) Khối cách ly: Cách ly điện áp (có thể dùng OPTO) Nguyên lý hoạt động Khi cấp nguồn điện áp 220V từ đầu vào, qua mạch lọc, chỉnh lưu, cấp vào đầu vào SW (thường cấp qua chân C Transistor), đồng thời qua mạch Start cấp nguồn vào chân B SW làm SW dẫn Transistor dẫn dòng qua Transistor tăng (có dòng điện biến thiên qua cuộn L1) có lượng ghép từ cuộn L1 qua cuộn L2 cuộn L3 Điện áp cuộn L2 làm cho SW dẫn mạnh dẫn tới bÃo hòa Khi SW dẫn bÃo hòa dòng qua L1 không đổi lượng ghép từ L1 sang L2 Điện áp cuộn L2 đảo chiều làm cho SW khóa Khi SW khóa dòng qua cuộn L1 Năng lượng cuộn L2 dần sau khoảng thời gian SW lại dẫn trở lại Cứ trình lặp lặp lại SW (Transistor) liên tục dẫn khóa làm cho có biến thiên lượng ghÐp tõ L1 sang L2, L3 ë cuén L3 tïy vào số vòng dây cuộn L3 người ta lấy mức điện áp xoay chiều đầu khác (V01, V02), Sau chỉnh lưu lấy điện áp chiều Để ổn định điện áp người ta lấy điện áp V0 từ đầu thông qua khối cách ly đưa vào mạch lấy mẫu Tùy vào giá trị V0 mà mạch điều chế xung thay đổi độ rộng tần số xung, làm cho thời gian dẫn Transistor tần số đóng cắt Transistor thay đổi tương ứng làm cho điện áp ổn định * Các ổn áp xung có ưu ®iĨm: - Cã kÝch th­íc gän nhĐ, lµm viƯc tần số cao nên tụ lọc không cần lớn - Hiệu suất cao tổn hao Q nhỏ - Có thể ổn định điện áp điện áp điện áp vào thay đổi phạm vi rộng 217 Câu hỏi tập chương Câu 1: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc mạch chỉnh lưu mét pha hai nưa chu kú cã ®iĨm trung tính Vẽ giản đồ thời gian dòng áp tải, điện áp ngược Diode, tính tham số (U0, I0, Ungmax) cho biết đặc điểm mạch Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc mạch chỉnh lưu pha cầu Vẽ giản đồ thời gian dòng áp tải, điện áp ngược Diode, tính tham số (U0, I0, Ungmax) cho biết đặc điểm mạch Câu 3: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện phân tích nguyên lý làm việc mạch ổn áp bù dùng transistor loại Nêu biện pháp nâng cao độ ổn áp? Câu 4: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện phân tích nguyên lý làm việc mạch ổn áp bù dùng transistor khác loại Nêu biện pháp nâng cao độ ổn áp? Câu 5: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện phân tích nguyên lý làm việc mạch ổn áp bù dùng transistor khuếch đại thuật toán (OPAM) Câu 6: Vẽ sơ đồ khối, nhiệm vụ chức khối, nguyên lý hoạt động nguồn ổn áp xung Cho biết ưu nhược điểm loại ổn áp Câu 6: Thiết kế cấp nguồn chiỊu DC cã ỉn ¸p bï dïng TZT cïng loại với yêu cầu sau: Ur.ổn = 7v, It = 1A C©u 7: ThiÕt kÕ bé nguån cho mét thiÕt bị điện tử có yêu cầu sau : điện áp lưới 220V, điện áp DC cấp cho tải 30V, dòng tải danh định 1A Mạch có khả bảo vệ tải It 1,5A Câu 8: Cho m¹ch chØnh l­u pha nưa chu kú hình 8.28, điện áp thứ cấp biến áp U21m = U22m = 100 V, tải trở Rt = 50 HÃy: a/ Nêu tác dụng linh kiện cho mạch b/ Phân tích nguyên lý làm việc mạch c/ Vẽ giản đồ thời gian dòng, áp tải, điện áp ngược diode d/ Viết biểu thức tính giá trị thông số sau: U0, I0, IDmax, Ungmax 218 TR U1 U21m D1 U22m D2 H×nh 8.28 C Rt C âu 9: Cho mạch chỉnh lưu cầu pha hình 2.29, điện áp thứ cấp biến áp U2m = 100V tải trở Rt = 50 HÃy: a/ Nêu tác dụng linh kiện cho mạch b/ Phân tích nguyên lý làm việc mạch c/ Vẽ giản đồ thời gian dòng, áp tải, điện áp ngược diode d/ Viết biểu thức tính giá trị thông số sau: U0, I0, IDmax, Ungmax vi TR U1 U2m D1 D4 H×nh 2.29 D2 D3 C Rt Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử Nhà xuất giáo dục 2005 [2] TS Trần Quang Vinh Nguyên lý kỹ thuật điện tử Nhà xuất giáo dục 2005 [3] Phạm Minh Việt, Trần Công Nhượng Kỹ thuật mạch điện tử phi tuyến Nhà xuất giáo dục 2001 [4] Nguyễn Thị Phương Hà Kỹ thuật điện tử- Bài tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 1996 [5] Trương Thị Ngộ Kỹ thuật điện tử Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 1991 [6] Phạm Minh Hà Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất Khoa học Kü thuËt 1997 [7] Sergio Franco, Design with Operational Amplifiers and Analog Intergrated Circuirts vii