d. Một vài ứng dụng của TRIAC
4.3.1. Hình dạng, cấu tạo và ký hiệu
Hình 4.11: Hình dáng, cấu tạo và ký hiệu của OP - AMP Op-Amp là mạch khuếch đại vi sai tổng hợp
Sơ đồ mạch điện cơ bản
Ngõ vào không đảo kí hiệu dấu + Ngõ vào đảo kí hiệu dấu –
Có một ngõ ra
Thông thường được phân cực bằng nguồn đôi (Hay gọi là nguồn đối xứng)
4.3.2. Các tính chất cơ bản của Op-Amp lý tƣởng
Độ lợi vòng hở rất lớn ( )
Tổng trở nhìn từ hai ngõ vào Zi rất lớn (Xem như )
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 142 + - 0 Rf Ri Vi 0V V0 +Vcc -Vcc Tổng trở ra rất nhỏ ( Xem như 0V)
Khi chưa đưa tín hiệu vào Op-Amp được phân cực bằng nguồn đôi Thì điện thế phân cực tại hai ngõ vào và ngõ ra đều bằng 0V
Do
Nếu V0 xác định và chưa bão hòa Thì V1 = V2 Do Zi
Nên không có dòng điện chạy vào Op-Amp Do Z0 0V Nên V0 không bị ảnh hưởng
4.3.3. Mạch khuếch đại căn bản dùng Op-Amp
a. Mạch khuếch đại đảo
Áp dụng định luật Kirchhoff (KCL) ta có: Độ lợi điện thế: Hay:
Nếu: Rf = Ri thì V0 = - Vi Được gọi là mạch đảo
Hình 4.12: Sơ đồ mạch điện khuếch đại đảo + - 0 Rf Ri Vi V0 +Vcc -Vcc Vi
Hình 4.13: Sơ đồ mạch điện khuếch đại không đảo
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 143
b. Mạch khuếch đại không đảo
Ta có: ( ) Hay: ( ) Nếu: ; 0
4.3.4. Mạch Op-Amp dùng nguồn đơn
a. Mạch khuếch đại đảo
Để không làm thay đổi điện thế phân cực
Tín hiệu vào phải có tụ liên lạc và ngõ vào + được nối tụ phân dòng xuống mass
b. Mạch khuếch đại không đảo
Tương tự như mạch đảo tín hiệu cũng được đưa vào Op – Amp bằng tụ liên lạc
Và giữa ngõ vào xuống mass phải cách ly bằng tụ100uF Op – Amp cũng chỉ hoạt động với Vi là tín hiệu xoay chiều
+
-
R=68K
V0
+Vcc
-Vcc
R=68K
Vi
100uF
+
C1
+
Rf Rf
1uF
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 144 + - R=68K V0 +Vcc -Vcc R=68K Vi 100uF + + Rf 1uF
c. Mạch khuếch đại vi sai
Mạch điện này dùng để tìm ra hiệu số hoặc sai số giữa hai điện áp mà mỗi điện áp được nhân với một vài hằng số nào đó. Các hằng số này được xác định nhờ các điện trở .
Ta có:
[( )
( ) ] ( )
Tổng trở vi sai Zin giữa hai chân đầu vào là R1 + R2 Hệ số khuếch đại vi sai:
Nếu: R1 = R2 và Rf = Rg
Thì: ( ) và
d. Mạch tích phân
Mạch này là mạch dùng để lấy tích phân (có đảo dấu) một tín hiệu theo thời gian.
Hình 4.15: Sơ đồ mạch điện khuếch đại không đảo dùng nguồn đơn
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 145
∫
Trong đó: Vin; Vout là các hàm số theo thời gian; Vinitial là điện áp ngõ ra của mạch tích phân tại thời điểm (t = 0).
Lưu ý rằng cấu trúc của mạch này cũng được xem là mạch lọc thông thấp, một dạng của mạch lọc tích cực.
e. Mạch vi phân
Mạch này là mạch dùng để lấy vi phân (có đảo dấu) một tín hiệu theo thời gian.
( )
Trong đó: Vin; Vout là các hàm số theo thời gian
f. Mạch so sánh
Mạch này dùng để so sánh hai tín hiệu điện áp, vafsex chuyển mạch ngõ ra để hiển thị mạch nào có điện áp cao hơn.
{ }
Trong đó VS là điện áp nguồn và mạch sẽ được cấp nguồn từ +VS và -VS Hình 4.17: Sơ đồ mạch tích phân
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 146
4.3.5. Các ứng dụng của mạch Op-Amp
Phạm vi ứng dụng của Op-Amp rất phong phú, ở đây chỉ nêu một số ứng dụng thực tế mang tính minh họa nguyên lý làm việc của Op-Amp.
a. Mạch so sánh dùng để điều khiển nhiệt độ
Sơ đồ mạch như sau:
Đây là mạch ứng dụng trong việc cảnh báo quá nhiệt hay thiếu nhiệt của môi trường cần theo giỏi. Mạch làm việc theo nguyên lý so sánh cửa sổ, một nguyên lý rất thông dụng trong môi trường công nghiệp, được minh họa qua giản đồ nhiệt sau:
Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở 400C người ta tiến hành như sau:
Từ nhiệt độ môi trường đang là 270C, bắt đầu cấp nhiệt cho lò (điểm A). Nhiệt độ lò tăng dần qua 360C (điểm B), rồi qua 400C mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt, cho đến khi nhiệt độ của lò đến 440C (điểm C) lò mới cắt điện trở gia nhiệt. Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 440C (điểm D). Giảm qua 400C vẫn tiếp tục giảm. Cho đến 360C (điểm E) thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò (điểm B) nhiệt độ lò tăng dần lên.
Hình 4.19: Sơ đồ mạch so sánh nhiệt độ
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 147 Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò ở 400C, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B. Hình dạng như là một cửa sổ nên có tên gọi là mạch so sánh cửa sổ (window comparator). Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trongcoong nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế…
Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:
Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R1 và R2 tạo ra Vs là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR. Cụ thể có thể tính Vs:
Rõ ràng Vs = f(To) là một hàm của nhiệt độ. Do đó, đo Vs chính là đo nhiệt độ. Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OP-AMPS làm việc như sau :
* Khi thiếu nhiệt:
Lúc này VS < VA < VB, đầu vào v+ của op-amps II nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II xuống thấp, LED 2 sáng. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt.
* Khi đủ nhiệt:
Lúc này VA < VS < VB, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I lên cao, LED 1 tắt.
* Khi quá nhiệt:
Lúc này VA < VB < VS, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps II lên cao, LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v+ của op-amps I nhỏ hơn đầu vào v- nên ngõ ra op-amps I xuống thấp, LED 1 sáng.
Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ. Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy.
b. Mạch chỉnh lưu chính xác
Trong thực tế, đôi lúc người ta cần mạch chỉnh lưu có điện áp ngõ ra như hình vẽ trong điều kiện lý tưởng, nhưng trên thực tế dù diode được phân cực thuận và dẫn dòng thì vẫn có một sụt áp đáng kể trên diode (chỉnh lưu cầu sụt áp này là 2VD). Điều này dẫn đến sự méo dạng điện áp ngõ ra như hình 4.21.
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 148
Để khắc phục nhược điểm này người ta thiết kế mạch Op-Amp như hình 12.13.
Do dòng điện hai ngõ vào của Op-Amp bằng 0, nên trong chu kỳ phân cực thuận của Diod (chu kỳ chỉnh lưu) Vin = Vout vì vậy điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu như là dạng bộ chỉnh lưu lý tưởng.
c. Mạch lọc
Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản, tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép. Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải lắp nhiều mạch lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số cắt của các mắt lọc. Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụngcác mạch lọc tích cực. Cụ thể là đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp của Op- Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng.
Cũng như mạch lọc thụ động, có thể phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy. Ở đây giới thiệu một
Hình 4.21: Giản đồ chỉnh lưu
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 149 mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp được truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm và chậm pha với tín hiệu vào.
Có thể dùng công thức để tính toán và thiết lập biểu đồ Bode về biến tần của mạch lọc
Các nhận xét về mạch lọc thông thấp:
- Tại tần số cắt fc có độ lệch pha là -45o; biên độ điện áp ra giảm gần 3 dB. - Tại tần số thấp f << fc: biên độ |A| = 1 ≈ 0dB
- Tại tần số cao f >> fc: biên độ |A| = 1/ωRC, hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số
theo quan hệ: tần số tăng 10 lần thì hệ số khuếch đại giảm 10 lần tức là giảm
20dB/decade hay 6dB/octave.
Hình 4.23: Sơ đồ mạch lọc
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 150
4.4 MẠCH ỨNG DỤNG LINH KIỆN QUANG
Trước hết nó là một linh kiện điện tử nhưng điều đặc biệt là nó hoạt động trên cơ sở chịu sự tác động của ánh sáng hoặc là nó sẽ phát ra ánh sáng. Nói một cách tổng quát thì linh kiện quang điện tử có thể chịu tác động của ánh sáng làm biến đổi điện trở, biến đổi dòng điện và biến đổi hiệu điện thế trên nó hoặc khi ta cung cấp một dòng điện đi qua nó thì nó sẽ phát ra một bước sóng ánh sáng nào đó với các màu xanh, đỏ, lam hoặc không màu.
4.4.1. Một số linh kiện quang trong thực tế
a. Bóng đèn LED
Chủ yếu được dùng trong các biển quảng cáo, đèn chỉ thị và gần đây thì người ta đã chế tạo nhiều bóng đèn Led với mục đích chiếu sáng gia đình cũng như đường phố.
Hình 4.25: Một số bóng đèn LED chiếu sáng thông dụng
b. Laser
Được ứng dụng nhiều trong trang trí, trong truyền tín hiệu và điều khiển từ xa hoặc được dùng để cắt gọt, gia công cơ khí. Đặc điểm của ánh sáng Laser đó là truyền đi với một phương cực thẳng, năng lượng có công suất lớn và bị suy hao năng lượng trong không khí rất ít. Chính vì những đặc điểm đó mà Laser còn được dùng làm tia định vị trong những vũ khí bắn tỉa.
Hình 4.26: Một số Laser thông dụng
c. Đèn phát hồng ngoại
Nhìn bề ngoài rất giống một bóng đèn Led bình thường nhưng khi cấp điện vào ta không thể nhìn thấy ánh sáng mà nó phát ra . Nó được sử dụng trong các thiết bị điều khiển từ xa trong các thiết bị điện tử gia dụng. Tại sao nó được sử dụng nhiều trong các thiết bị điều khiển từ xa bởi vì nó phát ra một sóng hồng ngoại có bước sóng nằm ngoài vùng ánh sáng chúng ta nhìn thấy nên nó it bị nhiễu bởi ánh sáng.
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 151 Hình 4.27: Một số đèn hồng ngoại thông dụng
d. Linh kiện quang điện tử chịu tác động của ánh sáng
Đây là những linh kiện có các thông số vật lý như điện trở, hiệu điện thế thay đổi khi có sóng ánh sáng tác động vào. Chính sự biến đổi đó của những linh kiện này lên con người có thể dùng ánh sáng để điều khiển những thiết bị này hoặc dùng chính những linh kiện quang điện tử ở phần trên để điều khiển. Một số linh kiện quang điện tử phổ biến thuộc loại này có thể nói đến như pin mặt trời, quang điện trở , photo quang điện, phototransistor, tế bào quang điện …
Hình 4.28: Tế bào quang điện chịu tác động của ánh sáng
e. Quang điện trở
Là một linh kiện điện tử thông dụng , thường được thấy trong các thiết bị dùng ánh sáng để điều khiển. Điện trở của linh kiện này sẽ thay đổi khi có ánh sáng chiếu vào, ở môi trường tối sáng thì những linh kiện này có điện trở rất lớn cỡ mê ga ohm , còn khi ra ngoài ánh sáng thì nó lại trở thành một vật dẫn điện. Dựa vào đặc điểm này mà quang điện trở còn được sử dụng với chức năng như một cảm biến ánh sáng.
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 152
f. Photo Diode và Photo transistor
Là những linh kiện có điện trở giảm dần khi chịu sự tác động của sóng hồng ngoại. Khi ta chiếu một chùm tia hồng ngoại vào nó thì nó dẫn dòng điện rất mạnh và ngược lại. Photodiode, photo transistor kết hợp với đèn phát hồng ngoại tạo ra một bộ thu phát tín hiệu hồng ngoại hoàn chỉnh được ứng dụng rộng dãi trong các thiết bị điện có điều khiển từ xa.
Hình 4.30: Hình dáng thực tế của Photo Diode và Photo transistor
4.4.2.Mạch ứng dụng linh kiện quang
a. Mạch dùng LCD tắt mở theo ánh sáng
Sơ đồ nguyên lý mạch điện như hình 4.31
Hình 4.31: Mạch dùng LCD tắt mở theo ánh sáng
b. Mạch ứng dụng dùng quang trở thay đổi theo cường độ ánh sáng
Sơ đồ nguyên lý mạch điện như hình 4.32
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 153
c. Mạch chống trộm dùng quang trở
Sơ đồ nguyên lý mạch điện như hình 4.32
Hình 4.32: Mạch chống trộm dùng quang trở
d. Mạch báo cháy dùng LDR
Sơ đồ nguyên lý mạch điện như hình 4.33
Hình 4.33: Mạch báo cháy dùng thu quang quang LDR
e. Mạch đèn giao thông
Sơ đồ nguyên lý mạch điện như hình 4.34
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 154
Câu hỏi (bài tập) củng cố:
1. Nêu các tính chất cơ bản của OP-AMP.
2. Hình dạng và ký hiệu OP-AMP trong mạch điện tử. 3. Nêu tính chất mạch khuếch đại dùng OP-AMP. 4. Các mạch ứng dụng OP-AMP thông dụng.
5. Thiết kế mạch ổn áp nguồn dùng IC78xx, 79xx để tạo nguồn điện áp ra 5V, 12V, -5V và -12V
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 155
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC
[1] Tài liệu Kỹ thuật điện – điện tử .
[2] Lê Văn Doanh, Đặng Văn Đào, Kỹ thuật điện, NXB khoa học kỹ thuật, 2003.
[3] Lê Văn Doanh, Đặng Văn Đào, Bài tập Kỹ thuật điện, NXB khoa học kỹ thuật, 2003.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN
[1] Hoàng Ngọc Văn, Kỹ thật điện tử, Trường ĐH SPKT Tp. HCM. [2] Lê Phi Yến, Kỹ thuật điện tử.
[3] Nguyễn Tấn Phước, Giáo trình điện tử kỹ thuật, NXB TP. HCM. - Khác (địa chỉ website):
Tài liệu giảng dạy môn học Kỹ thuật Điện – Điện tử 157
