1) Phần tử khụng tiếp điểm bỏn dẫn
a) Diode bỏn dẫn
với nhau tạo nờn một lớp tiếp giỏp bỏn dẫn p-n. Diode cú 2 cực, anode (A) là cực nối với lớp bỏn dẫn P, cathode (K) là cực nối với lớp bỏn dẫn N. (Hỡnh 3-1). Do hiệu ứng khuếch tỏn cỏc phần tử dẫn điện cơ bản giữa 2 miền, tại lớp tiếp xỳc hỡnh thành 1 hiệu điện thế tiếp xỳc, tạo ra điện trường ETX để ngăn cản sự khuếch tỏn tiếp tục của cỏc phần tử dẫn điện cơ bản. Kết quả là ở trạng thỏi cõn bằng, sự khuếch tỏn của cỏc hạt dẫn điện khụng tồn tại, và nú chỉ được hỡnh thành khi điện trường tiếp xỳc bị phỏ vỡ.
Hỡnh 3-1. Cấu trỳc và ký hiệu của Diode bỏn dẫn
Diode cú đặc tớnh Vụn- Ampe như hành vẽ Hỡnh 3-2. do điện trở thuận và điện trở ngược lệch nhau nhiều, nờn nếu sử dụng được cỏc trạng thỏi khỏc nhau theo chiều của diode, chỳng ta sẽ được sự đúng, cắt tốt. Ở đõy ta cần quan tõm đến ngưỡng mở diode (U1) (đối với diode Ge: U1 = 0,3V; đối với diode Si: U1 = 0,7v) là do đặc tớnh phi tuyến của đặc tớnh thuận. Nếu tớn hiệu ra là dũng điện tương ứng với ký hiệu logic
Y =
Hỡnh 3-2. Đặc tớnh Vụn –Ampe của Diode bỏn dẫn
Mặt khỏc người ta cũn quan tõm tới sự ảnh hưởng của thời gian hồi phục (tức thời gian chuyển mạch). Để rỳt ngắn thời gian hồi phục, cỏc hạt tải điện phải di chuyển nhanh, vựng hiếm phải hẹp. Ngoài ra, cũn phải tạo điều kiện cho sự tỏi hợp giữa lỗ trống và điện tử dễ dàng và nhanh chúng hơn. Do vậy người ta thường sử dụng diode
schottky .
Hỡnh 3-3: cho thấy trong diode schottky, người ta dựng nhụm để thay thế chất bỏn dẫn loại P và chất bỏn dẫn loại N là Si. Do nhụm là một kim loại nờn rào điện thế trong diode schottky giảm nhỏ, ngưỡng của diode schottky khoảng 0,2V đến 0,3V. Để ý là diode schottky cú điện thế bóo hoà ngược lớn hơn diode Si và điện thế sụp đổ cũng nhỏ hơn diode Si. Do thời gian hồi phục rất nhỏ (đổi trạng thỏi nhanh) nờn diode schottky được dựng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển.
a)
b)
Hỡnh 3-3: a) Cấu tạo diode schottky; b) Đặc tớnh Vụn –Ampe của diode schottky.
b) Transitor bỏn dẫn
Transistor là phần tử bỏn dẫn cú cấu trỳc gồm 3 lớp bỏn dẫn p-n-p (Transistor thuận) hoặc n-p-n (Transistor ngược), tạo nờn hai tiếp giỏp p-n (JE, JC). Lớp tiếp xỳc JE
phõn cực theo chiều thuận để kộo điện tử về vựng Base, lớp tiếp xỳc JE phõn cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vựng collector.
Cấu trỳc này thường được gọi là Bipolar Junction Transistor (BJT), vỡ dũng điện chạy trong cấu trỳc này bao gồm cả hai loại điện tớch õm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tớnh). Transistor cú ba cực: Base (B), Collector (C) và Emitter (E). BJT cụng
suất thường là loại Transistor ngược. Cấu trỳc tiờu biểu và ký hiệu trờn sơ đồ của một BJT cụng suất được biểu diễn trờn hỡnh 1.12, trong đú lớp bỏn dẫn n xỏc định điện ỏp đỏnh thủng của tiếp giỏp B-C và của C-E.
Xột họ đặc tớnh ra của transistor hỡnh 3-3, được biểu diễn bởi mối quan hệ giữa dũng điện cực thu IC theo điện thế ngừ ra VCE với dũng điện ngừ vào IB được chọn làm thụng số. n n n n p - Emitơ Bazơ Colectơ E C B B C E a) b)
Hỡnh 3-4: a) Cấu trỳc và ký hiệu transistor;
b) Mạch điệnmắc kiểu EC để lấy đặc tớnh ra của transistor. c)
Hỡnh 3-5: Đặc tớnh ra của transitor.
Trong điện tử cụng suất, transistor BJT được sử dụng như khúa đúng ngắt cỏc mạch điện và phần lớn được mắc theo dạng mạch cú chung emitter. Đặc tớnh V-A của BJT được phõn làm 3 vựng:
A B
Y
lớn đến mức transitor được mở hoàn toàn. Nội trở của transitor được giảm xuống tới mức tối đa và tương đương với độ sụt ỏp trờn nú là thấp nhất. Đồng thời dẫn đến việc tổn hao năng lượng trong transito nhỏ làm cho sự phỏt nhiệt trong cỏc mặt ghộp của nú cũng nhỏ.
Vựng II đặc trưng cho chế độ khuếch đại của transitor (Vựng khuếch đại): cực gốc của transito cú nhiệm vụ điều khiển. Tớn hiệu vào cú cụng suất nhỏ điều khiển được tớn hiệu ra cú cụng suất lớn hơn nhiều lấy ra ở cực Colector hoặc cực Emitor. Do đú transito cú thể được sử dụng như một phần tử khuếch đại tớn hiệu.
Vựng III transitor làm việc ở chế độ cắt dũng (Vựng ngưng dẫn), lỳc này tớn hiệu cú trị số nhỏ nhất. Để đảm bảo cho transitor khụng bị hiện tượng lan truyền về dũng điện do dũng nhiệt I0 gõy nờn, transitor được khúa chắc chắn nhờ dũng điện chuyển dịch dương đặt vào cực gốc. Như vậy điện ỏp trờn transitor cú trị số lớn nhất, xấp xỉ bằng điện ỏp nguồn.
Y =
2) Cổng logic cơ bảnvà vi mạch bỏn dẫn
a) Cổng And
+) Sơ đồ mạch điện nguyờn lý và ký hiệu cổng And
+) Nguyờn lý hoạt động và bảng chõn lý Hàm logics của cổng And ; y = x1.x2
Nếu bất kỳ đầu vào nào khụng cú tớn hiệu thỡ diode tương ứng của nú thụng, vớ dụ x1 =0 thỡ Đ1 thụng vỡ lỳc đú coi x1 bị nối đất cú thế dương của nguồn , Đ1 đấu thuận chiều với điện ỏp nguồn và cho thụng dũng, điện ỏp đầu ra bằng độ sụt ỏp trờn điện trở thuận của diode (nếu coi diode là lý tưởng thỡ sự sụt ỏp đú bằng khụng). Tớn hiệu đầu ra cú trị số bằng trị số đầu vào x1 và y = 0 khụng phụ thuộc vào giỏ trị tớn hiệu đầu vào khỏc của phần tử. khi và chỉ khi tất cả cỏc đầu vào tớn hiệu đều cú cỏc diode đều bị khúa khụng cú dũng điện chạy qua điện trở R vỡ thế đầu ra cú cựng trị số với điện ỏp nguồn tương ứng với y =1.
Trạng thỏi x1 x2 y
1 0 0 0
2 0 1 0
3 1 0 0
4 1 1 1
+) Vai trũ điều khiển của cổng AND. Nếu lựa chọn một đầu vào của cổng AND làm chức năng điều khiển (giả xử x1 = C, control) thỡ:
Khi để C cú mức logic 0, đầu ra y luụn cú trạng thỏi 0, khụng phụ thuộc đầu vào cú mức logic 0 hoặc 1.
Khi để C cú mức logic 1, đầu ra y cú trạng thỏi giống đầu vào.
b) Cổng OR
+) Sơ đồ mạch điện nguyờn lý và ký hiệu cổng OR
+) Nguyờn lý hoạt động và bảng chõn lý Hàm logic của cổng OR: y = x1+ x2
Giả sử một đầu vào bất kỳ cú tớn hiệu (x1 = 1) thỡ diode Đ1 được thụng, khụng phụ thuộc vào sự hoạt động của diode Đ2. Ở đầu ra y xuất hiện tớn hiệu cú giỏ trị, về lý tưởng bằng giỏ trị tớn hiệu vào (coi độ sụt ỏp trờn diode lý tưởng bằng khụng). Trường hợp cả 2 đầu vào tớn hiệu đều khụng cú (x1= x2=0) cỏc diode Đ1, Đ2 bị khúa, khụng cú dũng chạy qua điện trở R, do đú thế ở đầu ra cũng chớnh là thế ở điểm chung (đất). Vậy y = 0. Cỏc giỏ trị của cổng OR được ghi trờn bảng chõn lý:
Trạng thỏi x1 x2 y
1 0 0 0
2 0 1 1
3 1 0 1
A Y +) Vai trũ điều khiển của cổng OR.
Nếu lựa chọn một đầu vào của cổng OR làm chức năng điều khiển (giả xử x1 = C, control) thỡ:
Khi để C cú mức logic 0, đầu ra y cú trạng thỏi giống đầu vào;
Khi để C cú mức logic 1, đầu ra y luụn cú trạng thỏi 1khụng phụ thuộc đầu vào cú mức logic 0 hoặc 1.
c) Cổng NOT
+) Mạch điện và ký hiệu cổng NOT
Ur Uv 0 1 0 1 Y 5V Q Rc 1k +) Nguyờn lý hoạt động và bảng chõn lý
Trong sơ đồ khi chưa cú tớn hiệu vào x = 0 transito ở chế độ cắt dũng do nguồn chuyển dịch + Ucd khống chế vào y = 1. Khi cú tớn hiệu vào x = 1 ( thụng thường tớn hiệu vào cú giỏ trị điện ỏp lớn xấp xỉ điện ỏp nguồn), transitor làm việc ở chế độ thụng dũng với y = 0
Trạng thỏi x y
1 0 1
2 1 0
2) Phần tử lập trỡnh
Cấu trỳc phần cứng bộ điều khiển thường cú: + Đơn vị xử lý trung tõm (CPU)
+) Bộ nhớ (M)
+) Mạch giao tiếp thiết bị vào/ra (I/O) +) Hệ thống đường Bus
Với cỏc thành phần cơ bản trờn, tựy theo mức độ tớch hợp và phạm vi ứng dụng mà bộ điều khiển được sử dụng là dưới dạng hệ vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển lập trỡnh (PLC) hay Logo.
a) Phần tử lập trỡnh PLC
Trong hệ thống điều khiển sử dụng phần tử lập trỡnh, cấu trỳc phần tử lập trỡnh gồm thiết bị ( phần cứng) và chương trỡnh lập trỡnh (phần mềm).
Chương trỡnh định nghĩa hoạt động điều khiển được ghi trực tiếp vào bộ nhớ của bộ điều khiển nhờ sự trợ giỳp của bộ lập trỡnh hay một mỏy vi tớnh .
Để thay đổi yờu cầu điều khiển, chỉ cần thay đổi chương trỡnh lập trỡnh ghi trong bộ nhớ của bộ điều khiển, phần nối dõy bờn ngoài khụng bị ảnh hưởng. Đõy là ưu điểm lớn nhất của phương phỏp lập trỡnh điều khiển được .
+) Cấu trỳc phần cứng cơ bản của thiết bị lập trỡnh PLC
Hỡnh 3-6 : Mặt trước của thiết bị điều khiển lập trỡnh PLC
1. Module nguồn PS
2. Module xử lý CPU (a.Nguồn n một chiều; b, Kết nối nguồn 24 vol; c, Chuyển mạch chọn chế độ hoạt động module CPU; d, Nhúm đốn tớn hiệu bỏo trạng thỏi làm việc của module CPU; e, Khe cắm thẻ (Card) nhớ; Cổng giao tiếp với thiết bị lập trỡnh.
3. Module mở rộng (Modules tớn hiệu, module chức năng; module truyền thụng.) (a, Đầu ra nối tới cỏc phần tử chấp hành; b, Sơ đồ kết nối với cỏc phần tử vào ra).
Khắc phục nhược điểm cấu trỳc phần cứng của cỏc hệ thống điều khiển dựng phần tử cú tiếp điểm, phần tử khụng tiếp điểm và phần tử lập trỡnh dựng vi xử lý, vi điều khiển, cấu trỳc phần cứng của thiết bị lập trỡnh PLC cú cấu trỳc module nờn cú thể thay đổi một cỏch linh hoạt, tựy theo đối tượng điều khiển ta cú thể chủ động lựa chọ cỏc modules chớnh, modules mở rộng để thiết lập một bộ PLC phự hợp.
+) Tập lệnh của bộ điều khiển lập trỡnh.
Mỗi thiết bị lập trỡnh đều cú tệp lệnh điều khiển riờng, muốn làm chủ được thiết bị lập trỡnh ngoài việc hiểu được cấu trỳc phần cứng cũn phải sử dụng được tập lệnh của nú. Để tiện cho việc sử dụng, tập lệnh của thiết bị lập trỡnh thường được chia thành cỏc nhúm lệnh và thường cú cỏc nhúm lệnh sau:
-) Nhúm lệnh bớt logic -) Nhúm lệnh thời gian -) Nhúm lệnh đếm
-) Nhúm lệnh di chuyển dữ liệu -) Nhúm lệnh chuyển đổi dữ liệu -) Nhúm lệnh so sỏnh
-) Nhúm lệnh toỏn học với số nguyờn -) Nhúm lệnh điều khiển logic
-) Nhúm lệnh điều khiển chương trỡnh....
Và nhúm lệnh khỏc nữa. Hiểu được định dạng, thụng số, nguyờn lý và ứng dụng của lệnh trong nhúm lệnh giỳp cho người lập trỡnh chủ động thực hiện cỏc giải thuật để lập trỡnh đỏp ứng yờu cầu điều khiển của bài toỏn.
b) Phần tử lập trỡnh Logo
Logo là một modul logic đa năng mới của hóng Simens.Logo bao gồm cỏc phần sau: +) Nguồn cung cấp.
+) Xử lýđiều khiển vận hành và hiển thị.
+) Kết nối ngoại vi : Sỏu ngừ vào và bốn ngừ ra. +) Giao tiếp mỏy tớnh
Hỡnh 3-7 : Mặt trước của thiết bị điều khiển lập trỡnh Logo
+) Cỏc chức năng cơ bản thụng dụng trong thực tế như cỏc hàm thời gian, tạo xung ,…, Một cụng tắc thời gian theo đồng hồ (cú pin nuụi riờng )
Logo cú thể dựng để điều khiển cỏc hệ thống điện dõn dụng (như: chiếu sỏng, bơm nước, bỏo động …) hay tự động điều khiển trong cụng nghiệp (như: điều hkiển động cơ, mỏy lạnh, mỏy nộn, mỏy cụng nghệ, …).