Bài giảng Điện tử ứng dụng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP   NGUYỀN TRỌNG KHANH – HỒ ANH KHOA BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Lưu hành nội MỤC LỤC CHƯƠNG 1: LINH KIỆN GIAO TIẾP VÀ MẠCH ỨNG DỤNG .1 I LINH KIỆN GIAO TIẾP 1 Transistor lưỡng cực 1.1 Nguyên lý hoạt động 1.2 Phân cực cho Transistor 1.2.1 Phân cực hai nguồn riêng biệt 1.2.2 Phân cực cầu phân áp SCR .3 2.1 Ký hiệu .4 2.2 Đặc tuyến 2.3 Nguyên lý hoạt động IGBT .5 3.1 Ký hiệu .6 3.2 Nguyên lý hoạt đông MOSFET 4.1 Ký hiệu .7 4.2 Nguyên lý hoạt đông (xét kênh N) .8 4.2.1 Loại liên tục: .8 4.2.2 Loại gián đoạn: OP-AMP 5.1 Đặc điểm 10 5.2 Chế độ làm việc .10 5.2.1 Đặc tuyến 10 5.2.2 Chế độ bão hòa 10 5.2.2.1 Mạch điện so sánh bão hòa dương 10 5.2.2.2 Mạch so sánh bão hòa âm .11 5.2.3 Chế độ khuếch đại 11 5.2.3.1 Mạch khuếch đại đảo (Inverting Operational Amplifier) .11 5.2.3.2 Mạch khuếch đại không đảo 13 5.2.3.3 Mạch cộng 14 IC555 15 6.1 Cấu trúc IC555 15 6.2 Nguyên lý hoạt động .17 II MẠCH ỨNG DỤNG .18 Mạch Cầu H 18 1.1 Sơ đồ .18 1.2 Mạch cầu H dùng BJT .19 1.3 Mạch cầu H dùng MOSFET 20 Mạch dimmer .20 2.1 Mạch dimmer dùng SCR 21 2.2 Mạch dimmer dùng Triac Diac 22 Mạch tạo xung PWM 22 CHƯƠNG 2: MẠCH NGUỒN 26 I Chỉnh lưu 26 Mạch chỉnh lưu bán kỳ 27 Mạch chỉnh lưu tồn kỳ sử dụng MBA có điểm 28 Mạch chỉnh lưu cầu pha 29 II IC họ 78xx, 79xx, LM2596 30 IC họ 78xx: 30 IC họ 79xx: 32 IC LM2596: 33 III Mạch bảo vệ nguồn 34 CHƯƠNG 3: MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ .38 I ADC: 38 Khái niệm: 38 Nguyên lý chuyển đổi: 39 3.1 Sơ đồ khối chuyển đổi: 39 3.2 Cấu trúc chuyển đổi: 39 3.3 Nguyên lý hoạt động: 40 II ADC: 42 Khái niệm: 42 Nguyên lý chuyển đổi: 42 2.1 Sơ đồ khối chuyển đổi: 42 2.2 Cấu trúc chuyển đổi: 42 2.2.1 DAC Dùng Bộ Khuếch Đại Cộng Đảo: 42 2.2.2 DAC với đầu dòng: .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………47 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG CHƯƠNG 1: LINH KIỆN GIAO TIẾP VÀ MẠCH ỨNG DỤNG I LINH KIỆN GIAO TIẾP Transistor lưỡng cực Transistor lưỡng cực hay BJT (Bipolar junction transistor) loại linh kiện bán dẫn, có cực B (base - cực nền), C (collector - cực thu), E (emitter - cực phát) Transistor có tiếp giáp P-N, dựa theo cấu tạo lớp ta phân biệt hai loại transistor P-N-P, transistor N-P-N Mỗi tiếp giáp phân cực theo chiều thuận theo chiều nghịch tác dụng điện bên ngồi Hình 1.1 Cấu trúc hình ảnh thực tế Transistor lưỡng cực Transistor BJT thường sử dụng cơng tắc (switch) đóng ngắt mạch điện phần lớn mắc theo dạng mạch có chung cực emitter (CE) 1.1 Nguyên lý hoạt động  Loại NPN Hình 1.2 Sơ đồ chân ký hiệu Transistor loại NPN 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Transistror NPN cho phép dẫn dòng từ CE Điều kiện dẫn Transistor:  VC>VE  VB -VE ≥ VƳ Khi Transistror NPN dẫn IC = βIB (β hệ số khuếch đại), IE= IB+IC Khi tăng dịng IB IC tăng β lần Nếu tiếp tục tăng IB đến lúc mà IC khơng tăng lúc Transistror NPN dẫn bão hịa Khi transistor dẫn bão hịa thì: βIB = K.IC (trong K hệ số bão hịa K=2÷5) VCE0  Loại PNP Hình 1.3 Sơ đồ chân ký hiệu Transistor loại PNP Transistror PNP cho phép dẫn dòng từ EC, Điều kiện dẫn Transistor  VE>VC  VE – VB ≥ VƳ Tương tự Transistor NPN, ta có: IC = βIB, IE= IB+IC 1.2 Phân cực cho Transistor 1.2.1 Phân cực hai nguồn riêng biệt Hình 1.4 Mạch phân cực hai nguồn riêng biệt 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG VBB – IBRBB – VBE – IERE = Với IE = (+1) IB, ta có: IB  VBB  VBE RBB  (   1) RE Phương trình mạch vịng CE không thay đổi, kết đạt được: VCE = VCC – IC (RC+ RE) 1.2.2 Phân cực cầu phân áp Hình 1.5 Sơ đồ mạch phân cực cầu phân áp RBB  R1 xR2 R1  R2 VBB  VR  R2 VCC R1  R2 SCR SCR (Silicon Controlled Rectifier) hay Chỉnh lưu silic có điều khiển phần tử bán dẫn cấu tạo từ lớp bán dẫn, ví dụ P-N-P-N, tạo ba lớp tiếp giáp P-N: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực hoạt động anode (A), cathode (K) cực điều khiển (G) biểu diễn hình vẽ Nó dùng cho chỉnh lưu dịng điện có điều khiển 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Hình 1.6 Cấu trúc hình ảnh thực tế SCR 2.1 Ký hiệu Hình 1.7 Ký hiệu SCR 2.2 Đặc tuyến Hình 1.8 Đặc tuyến làm việc SCR 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2.3 Nguyên lý hoạt động  Khi VAVK IG = 0: SCR phân cực thuận, ban đầu đặc tuyến giống phân cực nghịch, đạt đến giá trị VBO (Breakover Voltage) điện chận thuận điện gãy lên, điện Anod tự động sụt xuống diode thường (0,7V), dòng điện tương ứng lúc gọi dịng trì IH (Holding current) hay gọi dòng giữ lúc SCR dẫn Với đặc tuyến V-I tương tự diode thường  Khi VA>VK IG>0: Khi có dịng cổng(IG)thì SCR chuyển từ trạng tắt sang trạng thái dẫn nhanh Các thơng số SCR, sử dụng cần phải lưu ý:  Điện áp phân cực thuận nghịch cực đại  Dòng điện thuận cực đại  Điện áp dòng điện cổng  Dịng trì (IH)  Cơng suất tiêu tán IGBT IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistor cơng suất cực đại có cực điều khiển cách ly linh kiện bán dẫn công suất cực IGBT kết hợp khả đóng cắt nhanh MOSFET khả chịu tải lớn transistor thường Mặt khác IGBT phần tử điều khiển điện áp, cơng suất điều khiển u cầu cực nhỏ Hình 1.9 Hình ảnh thực tế IGBT module IGBT 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 3.1 Ký hiệu Hình 1.10 (a) Ký hiệu, (b) Mạch tương đương IGBT 3.2 Nguyên lý hoạt đông Dưới tác dụng áp điều khiển VGE>0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển cực C vượt qua lớp tiếp giáp n-p cấu trúc base collector transistor thường, tạo nên dịng collector IGBT có khả làm việc với dòng điện lớn chịu điện áp ngược cao Thời gian đáp ứng đóng ngắt IGBT nhanh (khoảng vài µs) IGBT có khả hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ Trong trường hợp đặc biệt, sử dụng mạch bảo vệ MOSFET áp dụng cho IGBT mạch kích IGBT thiết kế tương tự mạch kích MOSFET Do IGBT sử dụng phổ biến biến đổi điều chế xung tần số cao chiếm vị trí quan trọng công nghiệp với hoạt động phạm vi công suất lên đến 10MW cao Hiện thị trường có module IGBT thơng minh (Intelligent power module): chế tạo cơng nghệ tích hợp cao Trên module có tích hợp phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện Các module sử dụng phổ biến đạt độ tin cậy cao MOSFET MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) hay gọi "Transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", thuật ngữ transistor hiệu ứng trường sử dụng phổ biến mạch số, mạch tương tự thiết bị điện tử công suất 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Transistor MOSFET xây dựng dựa lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc bán dẫn Silic) với cực cổng (G), cực (B), cực nguồn (S) cực máng (D) Hình 1.11 Cấu trúc hình ảnh thực tế MOSFET MOSFET có hai loại: N-MOSFET P-MOSFET 4.1 Ký hiệu Hình 1.12 Ký hiệu loại MOSFET 2020 TRANG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Hình 2.8 Hình dạng thực tế IC họ 79xx Sử dụng kết hợp IC họ 78xx họ 79xx để tạo nguồn đối xứng Hình 2.9 Mạch nguồn đối xứng sử dụng IC họ 78xx 79xx **Chú ý: Để đảm bảo mạch nguồn chạy thời gian lâu, yêu cầu biến áp loại tốt có lắp tản nhiệt cho IC ổn áp IC LM2596: IC LM2596 IC ổn áp dạng xung DC-DC Điện áp đầu vào dải từ 4,5V40V Điện áp đầu điều chỉnh khoảng từ 1,5V - 40V, dòng điện áp đầu đạt 3A hiệu suất cao nhờ chế băm xong tần số lên tới 150KHz Trong q trình hoạt động LM2596 ln đặt chế độ bảo vệ nhiệt vào dòng Hình 2.10 Hình dạng thực tế dạng DIP SMD IC LM2596 2020 TRANG 33 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG IC LM 2596 có chân: Chân 1: Vin từ 4,5 ~ 40V Chân 2: Vout Chân 3: GND Chân 4: Feedback (chân phản hồi điện áp) Chân 5: ON/OFF chân tắt bật mức logic      Điện áp đầu vào: 4.5 - 40VDC (điện áp khuyến khích sử dụng 0.5 → bit = Mạch trừ cho kết 0.5 Volt, VREF/16 = 0.3125 V < 0.5 → bit = Mạch trừ cho kết 0.1875 Volt, VREF/32 = 0.15625 V < 0.1875 → bit = Mạch trừ cho kết 0.03125 Volt, VREF/64 = 0.078125 V > 0.03125 → bit = Mạch trừ cho kết 0.03125 Volt, VREF/128 = 0.0390625 V > 0.03125 → bit = Mạch trừ cho kết 0.03125 Volt, VREF/256 = 0.01953125V< 0.03125 → bit = Mạch trừ cho kết 0.01171875 Volt, VREF/512 = 0.009765625V < 0.01171875 → bit = Mạch trừ cho kết 0.001953125 Volt, VREF/1024 = 0.0048828125V > 0.001953125 → bit 10 = Vậy giá trị số thu sau biến đổi 10011001102 = 614 Nghĩa là: b9b8b7b6b5b4b3b2b1b0 = 1001100110 Lưu ý: [3x1024/5] = [614.4] = 614 Vậy Vin = V, VREF = V số bit ngõ (10 bit) hay cụ thể số 210 =1024 có mối quan hệ nào? Đặt tên cho số bit kết n, kết KQ, có n bit nên có 2n giá trị mà KQ nhận từ 000…02 đến 111…12 2020 TRANG 40 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Trên trục ngang tượng trưng cho điện áp, người ta chia đoạn [0, VREF] thành 2n khoảng nhau, khoảng có độ rộng = VREF/2n Ví dụ: với VREF = 5V, n = 10 V = 5/1024 = 0.0048828125 V Ta có hình vẽ sau: Với điện áp Vin thỏa k ≤ Vi ≤ (k+1) kết biến đổi Vin k sau: Tổng quát ta có công thức mô tả quan hệ điện áp vào với VREF số bit ngõ  2n  KQ=  Vin  (lấy phần nguyên) VREF   n : Số bit ngõ củ ADC VREF : Điện áp tham chiếu (ứng với ngõ số nhị phân lớn nhất) Vin : Điện áp vào Trở lại ví dụ trên, thay ta phải phân tích, so sánh, lấy hiệu 10 lần để có 10 bit ngõ ta áp dụng cơng thức biến đổi để có kết ADC:  2n   210    614.4  614 KQ =  Vin   VREF     Trong toán biến đổi ADC, việc xây dựng cơng thức tính giá trị đại lượng lấy mẫu theo KQ biến đổi việc bắt buộc phải thực Có mối quan hệ ta biểu biễn kết cách phù hợp xác cho đối tượng đo Trong trường hợp, quan hệ đại lượng đo-điện áp ra, hệ số mạch khuếch đại khác nhau, bắt buộc người viết chương trình phải hiểu rõ quan hệ Một lưu ý quan trọng thiết kế mạch phục vụ cho ADC: Tín hiệu sau khuếch đại thay đổi theo thay đổi đại lượng đo, nhiên việc khuếch đại cần đảm bảo đại lượng cần đo thay đổi toàn tầm đo giá trị điện áp lấy mẫu thay đổi lấp đầy dãy giá trị [0, VREF], điều giúp biến đổi ADC thực với độ xác cao Ví dụ 2: Với mạch ADC bit trên, áp VREF = Volt, Vin = 3.7 Volt kết biến đổi bao nhiêu? 2020 TRANG 41 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG  2n  KQ=  Vin  VREF   = 3.7x256/5 = 189 = 1011 11012 => b7b6b5b4 b3b2b1b0 = 1011 1101 II ADC: Khái niệm: DAC chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu điện áp (DAC hay D/A converter) Nguyên lý chuyển đổi: 2.1 Sơ đồ khối chuyển đổi: Hình 3.3 Sơ đồ khối biến đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 2.2 Cấu trúc chuyển đổi: 2.2.1 DAC Dùng Bộ Khuếch Đại Cộng Đảo:  Sơ đồ DAC bit dùng khuếch đại cộng đảo: Hình 3.4 Sơ đồ DAC dùng khuếch đại cổng đảo 2020 TRANG 42 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG  Nguyên lý hoạt động: Vb R V  i1  b1 4R Vb 2R V  i0  b 8R  i3   i2  Chú thích: bj  tương ứng Vbj  0V bj  tương ứng Vbj  5V Với j = ÷ Theo định luật K1: iR  i3  i2  i1  i0 => VOUT  iR xR  (Vb  Vb Vb1 Vb   ) Giả sử: b3b2b1b0 = 00002 => Vout = 0V b3b2b1b0 = 00012 => Vout = -5/8 = -0.625V b3b2b1b0 = 00102 => Vout = -5/4= -1.25V b3b2b1b0 = 11112 => Vout = -75/8= -9.375V Kết luận: Kết ngõ tín hiệu điện áp, tùy thuộc vào tín hiệu số b3b2b1b0 đưa vào Dấu âm “-” biểu thị khuếch đại cộng đảo Dấu âm không cần quan tâm Ta thấy đầu tương tự tăng 0.625V số nhị phân đầu vào tăng lên đơn vị  - 0.625V gọi độ phân giải (ký hiệu K) VOUT  K B B: giá trị số nhị phân đưa vào Ví dụ: Nếu đưa vào DAC 10012 VOUT  0.625 x9  5.625V 2.2.2 DAC với đầu dòng:  Sơ Đồ DAC bit với ngõ dòng Hình 3.5 Sơ đồ DAC bit với ngõ dòng 2020 TRANG 43 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG  Ngun lý hoạt đơng: Dịng chảy qua đường mức điện quy chiếu VREF giá trị điện trở đường dẫn định Giá trị điện trở có trọng số theo số 2, nên cường độ dịng điện có trọng số theo hệ số tổng cường độ dòng điện IOUT tổng dòng nhánh I OUT  B3  I  B2  Với I OUT  I0 I I  B1   B0  VREF R DAC với đầu dịng chuyển thành DAC có đầu điện cách dùng khuếch đại thuật tốn (Op-Amp) sau: Hình 3.6 Sơ đồ DAC với ngõ áp Ví dụ: Khi sử dụng sử dụng DAC 0808 kết nối sau: Nếu chọn VREF  10V , giá trị Iout thay đổi từ  2mA , ta thay đổi Rf để lấy giá trị mong muốn 2020 TRANG 44 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG BÀI TẬP CHƯƠNG Cho chuyển đổi AD bit, VREF =5V Xác định ngõ khi: Vin=1V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=4.0V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Cho chuyển đổi AD bit, VREF =4V Xác định ngõ khi: Vin=1V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=4.0V b7b6b5b4b3b2b1b0 =? Cho chuyển đổi AD 10 bit, VREF =5V Xác định ngõ khi: Vin=1V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=1.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=2.0V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Vin=3.5V b7b6b5b4b3b2b1b0 = ? Cho mạch hình vẽ: 2020 TRANG 45 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Xác định vo khi: A8A7A5A4A3A2A1 = 0011 00112 V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 0011 10112 V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 0111 10112 V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 1011 00112 V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 1011 10112 V0 =? A8A7A5A4A3A2A1 = 1111 00112 V0 =? 2020 TRANG 46 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Xuân Dũng, "Giáo trình Điện tử bản", Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, 2019 [2] Nguyễn Văn Hiệp, "Giáo trình Điện tử ứng dụng", Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2010 [3] Nguyễn Văn Nhờ, "Giáo trình Điện tử cơng suất", Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2002 2020 TRANG 47 ... TRANG 34 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Hình 2.14 Mạch ổn áp nâng dịng Hình 2.15 Mạch bảo vệ dịng Hình 2.16 Mạch bảo vệ áp 2020 TRANG 35 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG  Khối mạch chỉnh lưu: sử dụng diode... điện thành điện áp chiều DC Điện áp chiều DC tạo sử dụng để cung cấp lượng cho tất loại mạch, loại thiết bị điện tử bao gồm điện tử dân dụng, điện tử cơng nghiệp, máy tính, vi mạch điện tử, điều... TRANG 46 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Xuân Dũng, "Giáo trình Điện tử bản", Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, 2019 [2] Nguyễn Văn Hiệp, "Giáo trình Điện tử ứng dụng" ,