+ Mạch điện và ký hiệu Hình 1.26
A và B là các tín hiệu đầu vào. Mức thấp của tín hiệu đầu vào là 0 V, mức cao của tín hiệu đầu vào là 3V. Z là tín hiệu đầu ra.
Hình1.26: Cổng AND
a) ký hiệu b) Mạch điện
+ Nguyên lý hoạt động Có 4 tr−ờng hợp khác nhau ở đầu vào.
- Tr−ờng hợp 1:
Khi VA= VB= 3V, hai điôt DA và DB thông với nguồn E0= +12V qua điện trở R0, chúng đều có điện áp phân cực thuận, chúng đều dẫn điện. VZ= VA + VD= 3 + 0,7= 3,7V.
- Tr−ờng hợp 2:
Khi VA= 3V, VB= 0V. DA và DB có đầu anôt nối chung. Catôt của DB có điện thế thấp hơn nên chắc chắn dễ dẫn điện hơn. Một khi DB đã dẫn điện thì VZ= VZ- VA= 0,7- 3= -2,3V.
Vậy DA chịu phân cực ng−ợc, nó ở trạng thái ngắt hở mạch, không phải dẫn điện nh− ta t−ởng lúc thoạt đầu nhìn vào mạch điện. Điện thế VZ= 0,7V gọi là điện thế ghim.
Khi VA= 0V, VB= 3V. Quá trình phân tích t−ơng tự sẽ cho ta kết quả DA dẫn, DB ngắt. VZ đ−ợc ghim ở 0,7V do DA dẫn điện.
- Tr−ờng hợp 4:
Khi VA= VB= 0V. DA và DB đều dẫn. VZ cũng đ−ợc ghim ở mức 0,7V. Tóm lại ta có bảng 1.5 sau. Bảng chức năng VA(V) VB(V) VZ(V) 0 0 0.7 0 3 0.7 3 0 0.7 3 3 3.7
Bảng này biểu thị quan hệ t−ơng ứng các mức điện áp giữa đầu ra với đầu vào đ−ợc gọi là bảng chức năng.
Quy −ớc: Mức điện áp cao ứng với mức logic là 1. Mức điện áp thấp ứng với mức logic là 0.
+ Bảng chân lý
Trong mạch số, để thuận tiện. Th−ờng dùng kí hiệu 1 và 0 biểu thị mức cao và mức thấp. Từ bảng 1.5.1 ta dùng 1 thay thế mức cao, dùng 0 thay thế mức thấp, dùng A, B thay thế VA, VB, dùng Z thay thế VZ, kết quả thay thế là bảng chân lý 1.5 Bảng 1.6: Bảng chân lý cổng AND A B Z 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1.5.2 Mạch OR
+ Mạch điện và ký hiệu: Hình 1.27
A, B là các tín hiệu đầu vào. Z là tín hiệu đầu ra.
Hình 1.27: Mạch OR
a) kí hiệu b) Mạch điện + Nguyên lý làm việc
Phân tích t−ơng tự nh− mạch điện AND , ta xét 4 tr−ờng hợp khác nhau ở đầu vào. Kết quả ta đ−ợc bảng chức năng 1.7
Bảng chức năng điện áp của mạch điện hình: 1.27
Bảng 1.7 VA(V) VB(V) VZ(V) 0 0 - 0,7 0 3 + 2,3 3 0 + 2,3 3 3 + 2,3
Ta thấy chỉ cần có 1 tín hiệu đầu vào ở mức cao thì VZ ở mức cao. Đó là quan hệ Logic OR.
A B Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Ta thấy rằng mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra Z với các tín hiệu đầu vào
A, B đ−ợc biểu thị bằng phép cộng Logic:
Z= A+ B
1.5.3Cổng NOT
+ Mạch điện và kí hiệu (Hình: 1.28)
V1(A) là tín hiệu đầu vào V0(z) là tín hiệu đầu ra Eq là nguồn điện áp ghim
Dq là điôt ghim Hình: 1.28: Cổng NOT a) Kí hiệu b) Mạch điện + Nguyên lý làm việc
Trong cổng NOT tranzito cần làm việc ở chế độ đóng mở. Khi V1 ở mức thấp thì T ngắt hở mạch, V0 ở mức cao. Khi V1 ở mức cao thì T thông bão hoà, V0 ở mức thấp. Nh− vậy mạch có chức năng logic NOT. Tác dụng của nguồn âm là EB là bảo đảm T ngắt hở tin cậy khi V1 ở mức thấp. EQ và DQ có tác dụng giữ mức cao đầu ra ở giá trị quy định. Để phân tích nguyên lý công tác cổng NOT, ta hãy áp dụng ph−ơng pháp cơ bản dùng phân tích mạch là:
giả thiết, tính toán, phân tích, so sánh, kiểm tra, kết quả. Bây giờ ta xét tình huống V1= 3,2V và 0.3V.
- Khi V1= 3,2V
Giả thiết rằng tranzito T thông bão hoà, điôt DQ ngắt. Với giả thiết nh−
thế, t−ơng ứng ta có: VB= 0,7V; V0=VCSE= VC= 0,3V; IDQ= 0. Tính toán: căn cứ vào các thông số mạch đã cho ta tính dòng và áp. Mạch điện t−ơng đ−ơng Hình: 1.29
A R1 1.5K B b I1 IB VI3.2V I2 R2 18K VBES EB -12V e Ta có: I1= 1 A B V V R − =3,2 0,7 1,5 − = 1,67 (mA) I2= 2 B B V E R − = 0,7 ( 12) 18 − − = 0,71 (mA) IB = I1- I2= 1,67- 0,71 = 0,96 (mA) VDQ= VCES- EQ= 0,3- 2,5 = -2,2 (V) Vì ICS = C CES C E V R − = C C E R = 12/1 = 12 (mA) IBS= ICS β = 12 30= 0,4 (mA)
Kiểm tra: căn cứ kết quả tính toán, đối chiếu điều kiện đóng mở, có thể biết giả thiết hợp lý đúng hay sai. Nếu sai thì phải xét lại giả thiết, đ−a ra giả thiết hợp lí rồi tính toán kết quả. Trong tr−ờng hợp của chúng ta, vì IB > IBS, VDQ < 0,5 nên giả thiết ban đầu là hợp lý.
-Khi V1= 0,3V
R1. 1.5K + VBE V1. 0.3V R2. 18K - e
EB. 12V
Khi V1= 0,3V vì tác dụng của nguồn âm EB, điện thế của bazơ nhỏ hơn 0.3V, nên tranzito ngắt 1 cách tin cậy, đồng thời điôt ghim DQ thông.
V0= EQ+ VDQ = 2,5 + 0,7 = 3,2 V. Đầu ra có mức cao.
Tóm lại mạch điện hình 1.28b đúng là cổng NOT. Vì khi V1 là mức cao thì V0 là mức thấp, khi V1 là mức thấp thì V0 là mức cao.
Ta có bảng chân lý của cổng NOT Z= A
A Z 0 1 1 0
1.5.4 Mạch điện cổng NAND (Mạch và đảo)
+ Mạch điện và kí hiệu. Hình: 1.31
Hình 1.31: Cổng NAND a) kí hiệu b) Mạch điện
Mạch điện Hình 1.31 Gồm 2 phần: Phần cổng AND bên trái và phần cổng NOT bên phải. Vậy quan hệ đầu ra và đầu vào là NAND (Và- Đảo).
Biểu thức hàm logic của NAND là:
Z= A.B Bảng chân lí cổng NAND A B Z 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1.6 Mạch Tích phân iC C ir R A Uv U0 Hình 1.32: Mạch tích phân Sơ đồ bộ tích phân đ−ợc mô tả trên hình: 1.32 Từ điều kiện cân bằng dòng ở nút A, iR= iC ta có: -C. dUr
dt = Uv
R (1-20) Ur= 1
RC ∫Uvdt + Ur0 (1-21)
ở đây: Ur0 là điện áp trên tụ C khi t=0 (là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu).
Th−ờng khi t= 0, Uv= 0 và Ur= 0. Nên ta có: Ur= 1 τ 0 t Uvdt ∫ (1-22)
ở đây: τ= RC gọi là hằng số tích phân của mạch. Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra sẽ bằng:
Ur
t
Δ
Δ = -
Uv
RC nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân sẽ có điện áp tăng (hay giảm) tuyến tính theo thời gian.
Đối với tín hiệu hình sin, bộ tích phân sẽ là bộ lọc tần số thấp, quay pha tín hiệu hình sin đi 900 và hệ số khuếch đại của nó tỉ lệ với tần số.
1.7Mạch Vi phân R R Uv C Ur Hình 1.33: Mạch vi phân
Bộ vi phân cho trên hình: 1.33 . Bằng các ph−ơng pháp tính toán ta có điện áp ra của nó tỉ lệ với tốc độ thay đổi của điện áp vào:
Ur= - RC dUv
dt (1-23)
Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc nh− một bộ lọc cao tần, hệ số khuếch đại của nó tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha Uvào một góc 900. Th−ờng bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó Zc= → 0 làm hệ số hồi tiếp âm giảm nên khi sử dụng cần chú ý đặc điểm này và bổ sung 1 điện trở làm nhụt R1.
1.8 Bộ ghép quang- opto- Couplers
1.8.1 Đại c−ơng
Trong Anh ngữ bộ ghép quang còn đ−ợc gọi là Photo coupledisolators, Photo- coulers, Photo- coupled pairs và Optically Coupled Pairs. Từ thông th−ờng nhất cho linh kiện này là Opto- Couplers.
Bộ ghép quang dùng để cách điện giữa những mạch điện có sự khác biệt về điện thế khá lớn. Ngoài ra nó còn đ−ợc dùng để tránh các vòng đất (ground circuit, circuit terrestre) gây nhiễu trong mạch điện.
1.8.2 Cơ chế hoạt động
Thông th−ờng bộ ghép quang gồm 1 điôt loại GaAs phát ra tia hồng ngoại và một phototranzito với vật liệu Si. Với dòng điện thuận, điôt phát ra bức xạ hồng ngoại với chiều dài sóng khoảng 900nm. Năng l−ợng bức xạ này đ−ợc chiếu lên trên mặt của phototranzito hay chiếu gián tiếp qua một môi tr−ờng dẫn quang Hình 1.38
Hình 1.34: Bộ ghép quang
Đầu tiên tín hiệu đ−ợc phần phát (LED hồng ngoại) trong bộ ghép quang biến thành tín hiệu ánh sáng. Sau đó tín hiệu ánh sáng đ−ợc phần nhận (Phototriac) biến lại thành tín hiệu điện.
Hình 1.35: Phototriac
1.8.3 Tính chất cách điện
Nh− đã nói, bộ ghép quang th−ờng đ−ợc dùng để cách điện giữa hai mạch điện giữa hai mạch điện có điện thế khác biệt khá lớn. Bộ ghép quang có thể làm việc với dòng điện một chiều hay với tín hiệu điện có tần số khá cao. Đặc biệt với thể tích nhỏ bé, bộ ghép quang tỏ ra −u việt hơn so với biến thế.
+ Điện trở cách điện
Đó là điện trở với dòng điện một chiều giữa ngả vào và ngả ra của bộ ghép quang có trị số bé nhất là 1011 Ω, nh− thế đủ đáp ứng yêu cầu thông th−ờng. Nh− thế chúng ta cần chú ý, với dòng điện rò trong khoảng nA có thể ảnh h−ởng đến hoạt động của mạch điện, ví dụ khi dòng điện rò chạy vào cực gốc của phototranzito còn để trống. Gặp tr−ờng hợp này ta có thể tạo những khe trống giữa ngả ra và ngả vào. Nói chung với bộ ghép quang ta cần có mạch in loại tốt.
+ Điện dung cách điện
Cấu trúc của bộ ghép quang gồm có phototranzito, LED, phần cơ có thể tạo một điện dung từ 0,3 ữ 2pF. Điện dung này đ−ợc đo khi chân ở ngả vào cũng nh− chân ở ngả ra đ−ợc nối tắt. Với sự thay đổi cao áp khá nhanh (500V/μs) giữa ngả ra và ngả vào, điện dung kí sinh có thể truyền đi sự thay đổi và xung điện ở ngả ra có những gai nhọn. Trong tr−ờng hợp này nên sử dụng bộ ghép quang không có chân nối với cực gốc, và giữa cực thu với cực phát nên nối một tụ điện để làm giảm gai nhiễu ở xung ra. Để không tạo thêm điện dung kí sinh, với bộ ghép quang ta không nên dùng chân đế để cắm IC.
+ Điện thế cách ly
Điện thế cách ly là điện thế cao nhất mà bộ ghép quang có thể chịu đựng nổi. Điện thế cách ly còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của bộ ghép quang, không khí....
D−ới một điện thế khá cao giữa LED và phototranzito có khoảng cách khá gần, ta có một điện tr−ờng khá lớn. Nừu bộ ghép quang làm việc với điều kiện nh− thế liên tục vài ngày, các thông số của bộ ghép quang (đặc biệt với tranzito) bị thay đổi.
Hiệu ứng tr−ờng càng rõ ràng hơn với nhiệt độ cao (1000C) và một điện thế một chiều khá cao (1KV). Các thông số nh− độ khuếch đại, điện áp và dòng điện ng−ợc có thể thay đổi. Với một điện tr−ờng khá lớn ta có một hiệu ứng giống nh− với tranzito MOS: có sự đảo điện ở bề mặt.
So với tranzito, các thông số của LED rất ổn định d−ới tác dụng của điện tr−ờng.
Ng−ời ta có thể bảo vệ lớp chuyển tiếp pn của tranzito Silicon bằng một màng ion trong suốt để chống lại ảnh h−ởng của điện tr−ờng (Transparent Ion Shield- Trios). Ví dụ với bộ ghép quang SFH6106.
1.8.5 Sự lão hoá
Với thời gian, công suất phát sáng của LED bị giảm đi, do đó ta có hệ số truyền đạt của một bộ ghép quang bé đi. Ng−ời ta tránh sự lão hoá của một bộ ghép quang bằng ph−ơng pháp “Burn- in”. Sau khi sản xuất các bộ ghép quang đ−ợc cho làm việc với dòng điện và với nhiệt độ xung quanh khá lớn trong một thời gian (24h). Do đó bộ ghép quang bị lão hoá tr−ớc và nó không bị lão hoá nhanh nh− các bộ ghép quang ch−a qua “Burn- in”.
Để cho bộ ghép quang làm việc lâu dài không bị lão hoá quá nhanh, nhiệt độ xung quanh và dòng điện làm việc phải giữ càng thấp càng tốt.
1.8.6 Hệ số truyền đạt
Thông số quan trọng nhất của bộ ghép quang là hệ số truyền đạt dòng điện. Hệ số truyền đạt là hệ số tính theo phần trăm cho biết dòng điện ra (của một phototranzito) lớn hơn so với dòng điện vào của LED hồng ngoại trong một bộ ghép quang.
Đ−ợc dùng để điều khiển các triac công suất
Chỉ có một điện trở han dòng cho phototriac Hình 1.38
Hình 1.38: Photriac dùng để điều khiển triac công suất
Với bộ lọc RC để chống nhiễu dV/dt và các xung điện cao tần. Hình 1.39
Hình 1.39: Phototriac dùng thêm bộ lọc RC
Varistor bảo vệ phototriac không bị các xung điện quá cao làm hỏng khi triac làm việc với dòng điện và điện áp cao. Hình 1.40
Hình 1.40: Phototriac dùng varistor chống xung điện quá cao
(Signal Coupling Devices)
Linh kiện −u điểm Khuyết điểm
Bộ ghép quang
- Kinh tế, rẻ tiền
- Có thể chế tạo với vật liệu bán dẫn
- Làm việc với cả tín hiệu 1 chiều và xoay chiều ở tần số cao - Cách điện tốt đến vài KV - Tổng trở cách điện cao - Kích th−ớc nhỏ (Dip)
- Không có công tắc nên không bị nảy
- Công suất tiêu thụ ít
- Khi ngắt điện hay dẫn điện đều có một điện trở giới hạn (điện trở không thể bằng 0 hay ∞)
- Dòng điện khi dẫn điện và dòng điện khi ngắt điện đều có trị số giới hạn
- Hệ số truyền đạt thấp
Rơ le - Làm việc với công suất lớn - Khi dẫn điện có điện trở rất thấp
- Có thể truyền tín hiệu một chiều
- Cách điện tốt
- Đắt tiền vì má rơle làm bằng kim loại quý
- Công suất tiêu thụ cao - Vật tốc làm việc rất chậm - Kích th−ớc lớn
Biến thế xung
- Truyền tín hiệu với vận tốc cao - Kích th−ớc trung bình
- Có hệ số truyền đạt tốt
- Không thể truyền tín hiệu một chiều hay xoay chiều ở tần số thấp.
- Đế cách điện (có tổng trở cao ) nên rất đắt tiền
IC phát và nhận tín hiệu đ−ờng dài
- Có thể chế tạo với vật liệu bán dẫn, Kích th−ớc bé
- Truyền tin với vận tốc cao
- Có thể truyền tín hiệu DC rẻ tiền
- Tổng trở cách điện bé
- Điện thế đánh thủng rất thấp d−ới 30 KV
Ký hiệu Tên bộ ghép quang Điện áp đầu ra (V) Dòng điện đầu ra (mA) dv/dt (V/μs) MOC3009 MOC3010 MOC3011 MOC3012 TIL3009 TIL3010 TIL3011 TIL3012 MOC3020 MOC3021 TIL3020 TIL3021 7500V PX 7500V PX 7500V PX 7500V PX 3535V PX 3535V PX 3535V PX 3535V PX 7500V PX 7500V PX 3535V PX 3535V PX 250 250 250 250 250 250 250 250 400 400 400 400 40 45 50 55 30 35 40 45 50 55 50 55 42 42 42 42 42 42 42 42 42 42 42 42
Ch−ơng 2
Giới thiệu về mạch điện xoay chiều ba pha và động cơ ba pha 2.1 Mạch điện ba pha
2.1.1 Dòng điện sin
Dòng điện sin là dòng điện xoay chiều biến đổi theo quy luật hàm sin của thời gian.
Biểu thức dòng điện và điện áp:
i= Imaxsin(ωt + Ψi) (2-1) u= Umaxsin(ωt + Ψu)
Trong đó i, u là trị số tức thời của dòng điện và điện áp.
Imax , Umax Trị số cực đại biên độ của dòng điện, điện áp.
(ωt + Ψi), (ωt + Ψu): là góc pha gọi tắt là pha của dòng điện, điện áp. Pha xác đinh trị số và chiều của dòng điện, điện áp ở thời điểm t.