Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử 1 (Trình độ: Trung cấp/Cao đẳng nghề)

ếch đại (về hệ số khuếch đại áp Av, độ lệch pha ΔΦ) ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. 2.5.4. Lắp ráp và cân chỉnh mạch Đổi chế độ máy phát sóng Sin. Giữ nguyên biên độ tín hiệu vào tại lối vào IN(A)/ A6- 1 : VIN1 =100mV - Sau đó tháo dây tín hiệu khỏi chân IN, đo biên độ tín hiệu từ lối ra máy phát xung (không tải) . VIN2 = - So sánh biên độ xung trong hai trường hợp, tính sự mất mát biên độ (%) do ảnh hưởng điện trở vào của sơ đồ. ΔV (%) = Giữ cố định biên độ điện áp tín hiệu vào VIN (pp) = 100mV. Thay đổi tần số máy phát sóng từ cực tiểu đến cực đại (bằng cách chỉnh Range). Đo biên độ đỉnh - đỉnh VOUT(pp) tại ngõ ra, ghi nhận vào Bảng A6-3. Tính Av. 39 Vẽ biểu đồ Boode thể hiện quan hệ Biên độ Av – Tần số f theo Bảng A6-3 Hình 2.24 Nhận xét về đáp ứng băng thông của mạch khuếch đại dùng FET. So sánh với BJT? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. ............................................................................................................................. 2.6. Mạch khuếch đại DALINGTON 2.6.1. Mạch điện và tác dụng linh kiện Bước 1: chuẩn bị dụng cụ thực tập - mỏ hàn, chì hàn, nhựa thông - kìm nhọn, kìm cắt - các linh kiện +board mạch Bước 2: Nối điện, đo kiểm tra căn chỉnh bộ khuếch đại công suất Chúng ta chia làm hai công đoạn + nối điện, đo kiểm tra, căn chỉnh bộ khuếch đại công suất khi chưa gắn Fet + nối điện, đo kiểm tra, căn chỉnh bộ khuếch đại công suất khi gắn Fet Trong mỗi công đoạn được chia nhỏ, phân ra làm nhiều bước theo thứ tự như sau 2.6.2. Ứng dụng của mạch điện. - đo kiểm tra độ cách điện và dẫn điện khi chưa và sau khi gắn bộ khuếch đại công suất - đo kiểm tra bộ cấp nguồn tạo điện áp một chiều (DC) đối xứng (±Vdc) cấp nguồn cho bộ khuếch đại làm việc. Nối các dây dẫn nguồn Vdc với bảng giá thử. 40 2.6.3. Lắp ráp và cân chỉnh mạch + Bước 1: đo kiểm tra căn chỉnh tầng khuếch đại + Bước 2: Đo kiểm tra căn chỉnh mạch phân áp đầu vào tầng lái ghép công suất ra loa + Bước 3: Đo kiểm tra căn chỉnh bộ khuếch đại công suất còn thiếu Fet công suất + Bước 4: đo kiểm tra căn chỉnh bộ khuếch đại công suất có Fet công suất + Bước 5: thông mạch tín hiệu bộ khuếch đại công suất. + Kiểm tra 2.7. Mạch khuếch đại vi sai 2.7.1. Mạch điện Hình 3.3 Mạch khuếch đại vi sai 2.7.2. Nguyên lý hoạt động l Mạch đối xứng theo đường thẳng đứng, các phần tử tương ứng giống nhau về mọi đặc tính l Q1 giống hệt Q2, mắc kiểu EC hoặc CC l 2 đầu vào v1 và v2, có thể sử dụng 1hoặc phối hợp l 2 đầu ra va và vb, sử dụng 1 hoặc phối hợp l Đầu vào cân bằng, đầu ra cân bằng vin = v1 - v2 ; vout = va – vb l Đầu vào cân bằng, đầu ra không cân bằng vin = v1 - v2 ; vout = va l Đầu vào không cân bằng, đầu ra cân bằng vin = v1 ; vout = va – vb l Đầu vào không cân bằng, đầu ra không cân bằng vin = v1 ; vout = va - hệ số khuếch đại vi sai và hệ số triệt tiêu đồng pha 41 Chế độ phân cực 1chiều: VB1 = VB2 => IC1 = IC2 = IE/2 => VC1 = VC2 Nếu vin = v1 – v2 => VB1+vin và VB2–vin => ic1> ic2 =>vout = vc1 - vc2 > 0 Þ khuếch đại điện áp vi sai Nếu vin = v1 = v2 => VB1+vin và VB2+vin => ic1 = ic2 =>vout = vc1 - vc2 = 0 triệt tiêu điện áp đồng pha Phân tích bằng sơ đồ tương đương xoay chiều: vin= v1,v2=0 ; vout = va : Av=RC/2re vin = v1 - v2 ; vout = va - vb : Ad=RC/re (differential mode) vin = v1 = v2 ; vout = va : Ac = βRC/(βre+ 2(β+1)RE) (common mode) Nhận xét : l Tín hiệu vào ngược pha: khuếch đại lớn l Tín hiệu vào cùng pha: khuếch đại nhỏ l khả năng chống nhiễu tốt l Tỉ số nén đồng pha (CMRR-Common mode rejection ratio) = Hệ số KĐ vi sai/Hệ số KĐ đồng pha Þ CMRR càng lớn chất lượng mạch càng tốt Với KĐ ngõ ra không cân bằng, T1, T2 vẫn có tác dụng trừ các tín hiệu nhiễu đồng pha hay ảnh hưởng của nhiệt độ tác dụng lên hai transistor 2.7.3. Đặc điểm và mạch ứng dụng v Nâng cao tính chống nhiễu Hình 3.4: Mạch nâng cao tính chống nhiễu l Có nguồn dòng ổn định với nội trở rất lớn ->ổn định nhiệt và giảm hệ số KĐ đồng pha ->tăng khả năng chống nhiễu Nguồn dòng cũng có thể là mạch dòng gương 42 Hình 3.5: Mạch dòng gương lSử dụng “active loads” - mạch dòng gương Þ thiết lập dòng collector như nhau trên cả hai transistor Þ tăng hệ số khuếch đại vi sai v Vấn đề điện áp trôi lNg/nhân: đặc tính kỹ thuật của hai transistor không hoàn toàn giống nhau lKhắc phục: Dùng điện trở RC không đối xứng (biến trở) 2.8. Khuếch đại thuật toán. 2.8.1. Khái niệm chung Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương tự (analog). Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán. Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử. Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau. Ngày nay, nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp. Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời ) . Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra. 43 Thực tế người ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng. Hình 1.1a là ký hiệu của KĐTT : KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng . Tên gọi, khuếch đại thuật toán“ trước đây dùng để chỉ một loại mạch điện được sử dụng trong máy tính tương tự, nhiệm vụ mạch này nhằm thực hiện các phép tính như: Cộng, trừ, vi phân, tích phân ...Khuếch đại thuật toán được viết tắt là OPs hoặc op-amp. Hiện nay, người ta sản xuất khuếch đại thuật toán dựa trên kỹ thuật mạch đơn tinh thể và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tương tự. Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± VS, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này. Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơn cực như + VS hoặc – VS so với masse. Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là +Vin còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào -Vin còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1.1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra Điện áp một chiều cung cấp cho khuếch đại thuật toán là điện áp đối xứng ± UB, thông thường trong sơ đồ mạch không vẽ các chân cung cấp điện áp này. Tuy nhiên, trong các ứng dụng khuếch đại tín hiệu xoay chiều có thể sử dụng nguồn cấp điện đơncực như + UB hoặc – UB so với masse. Khuếch đại thuật toán có hai ngõ vào ký hiệu là E+ còn được gọi là ngõ vào không đảo hoặc ngõ vào P (positive) và ngõ vào E- còn gọi là ngõ vào đảo hoặc ngõ vào N(negative) như ở hình 1.1. Tín hiệu ở ngõ vào không đảo cùng pha với tín hiệu ra và tín hiệu ở ngõ vào đảo thì ngược pha với tín hiệu ngõ ra 2.8.2. Mạch khuếch đại đảo 44 Hình 2.6. Mạch khuếch đại không đảo Điện áp cần khuếch đại được đưa vào ngõ vào không đảo E+ và điện áp hồi tiếp là một phần của điện áp ra được đưa vào ngõ vào đảo E-.Giống như trong trường hợp khuếch đại đảo , khuếch đại thuật toán được xem nhưlà lý tưởng, phương trình điện áp ở ngõ vào và ngõ ra của mạch được viết như sau: UE = UD + U1 UA = U2 + U1 Vì UD = 0 V nên các phương trình trên trở thành UE = U1 UA = U2 + U1 Suy ra hệ số khuếch đại V Vì dòng điện ngõ vào của khuếch đại thuật toán xem như bằng 0 nên dòng qua R1và R2 bằng nhau, ta có: Nhận xét: Hệ số khuếch đại dương và luôn lớn hơn 1. Do đó, tín hiệu vào và ra đồng pha nhau và giá trị của V chỉ phụ thuộc vào hai điện trở R1 và R2 Ưu điểm của mạch khuếch đại không đảo là điện trở ngõ vào của mạch rất cao nên thường được gọi tên là mạch khuếch đại đo lường. Hình 2.7. Ký hiệu mạch khuếch đại không đảo 45 Ví dụ: Cho mạch khuếch đại không đảo có sơ đồ ở hình 2.10 với các điện trở R1 = 10 KΩ và R2 = 200 KΩ. Tìm hệ số khuếch đại V và điện áp ra khi UE = 100 mV. Gải Như đã nói ở trên, đặc điểm của mạch là điện trở ngõ vào rất lớn. Tuy nhiên, trong trường hợp mạch khuếch đại đảo nếu chọn các giá trị của R1 và R2 một cách thích hợp có thể làm cho hệ số khuếch đại nhỏ hơn 1, có nghĩa là điện áp ra sẽ nhỏ hơn điện áp vào. Bảng sau đây trình bày một số đặc tính quan trọng nhất của mạch khuếch đại không đảo dùng khuếch đại thuật toán 2.8.3. Mạch khuếch đại không đảo a. Giới thiệu Điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch khuếch đại không đảo có cực tính giống nhau, đối với điện áp xoay chiều thì chúng cùng pha nhau. Như trong hình 2.8 cho thấy điện áp UE đặt vào ngõ vào không đảo +E Vì trong vùng khuếch đại , sai biệt điện áp giữa hai ngõ vào là 0 nên điện áp vầo cũng xem như đặt lên ngõ vào – E. Hệ số khuếch đại được tính theo công thức sau : b. Mục đích thí nghiệm Biểu diển bằng đồ thị quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào tại các điện trở hồi tiếp khác nhau 46 c. Trình tự thí nghiệm Hình 2.8 Mô hình thí nghiệm mạch khuếch đại không đảo Bước 1: Ráp mạch điện theo sơ đồ hình 2.8. Dùng VOM đo điện áp vào UE, điện áp ra UA tại các giá trị điện trở hồi tiếp RR khác nhau như trong bảng trên Hình 2.9 Bước 2: Ghi các giá trị đo được vào hình 2.9 và vẽ đồ thị biểu diển quan hệ giữa điện áp ra UA với điện áp vào UE và điện trở hồi tiếp RR vào hình 2.2.3 d. Báo cáo thực hành Hệ số khuếch đại được xác định bởi linh kiện nào ? Trả lời : Điện áp ra UA là bao nhiêu khi RR = 47 Ω, RE = 10 KΩ, UE = 2 V Trả lời : Cực tính giữa điện áp vào UE đối với điện áp ra UA như thế nào ? Trả lời : 47 Bài 3: Mạch khuếch đại công suất đơn hoạt động ở chế độ A Mục tiêu: - Phân tích được nguyên lý hoạt động và đặc điểm tính chất của các loại mạch khuếch đại công suất. - Đo đạc, kiểm tra, sửa chữa một số mạch khuếch đại công suất theo yêu cầu kỹ thuật. - Thiết kế, lắp ráp một số mạch theo yêu cầu kỹ thuật. - Thay thế một số mạch hư hỏng theo số liệu cho trước. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp 48 3.1. Định nghĩa và phân loại mạch khuếch đại công suất 3.1.1 Định nghĩa Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụtạo ra một công suất đủlớn đểkích thích tải. Công suất ra có thểtừvài trăm mw đến vài trăm watt. Nhưvậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thểdùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị. Các mạch khuếch đại đã được nghiên cứu ở bài trước, tín hiệu ra của các mạch đều nhỏ (dòng và áp tín hiệu). Để tín hiệu ra đủ lớn đáp ứng yêu cầu điều khiển các tải, Ví dụ như loa, môtơ, bóng đèn...ta phải dùng đến các mạch khuếch đại công suất. để tín hiệu ra có công suất lớn đáp ứng các yêu cầy về kỹ thuật của tải như độ méo phi tuyến, hiệu suất làm việcvì thế mạch công suất phải được nghiên cứu khác các mạch trước đó. Vậy tầng công suất là tầng khuếch đại cuối cùng của bộ khuếch đại. Nó có nhiệm vụ cho ra tải một công suất lớn nhất có thể, với độ méo cho phép và đảm bảo hiệu suất cao. Do khuếch đại tín hiệu lớn, Tranzior làm việc trong vùng không tuyến tính nên không thể dùng sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ nghiên cứu mà phải dùng đồ thị. 3.1.2. Phân loại Tùy theo chế độlàm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau: - Khuếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần nhưtuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộchu kỳ360ocủa tín hiệu ngõ vào (Transistor hoạt động cảhai bán kỳcủa tín hiệu ngõ vào).Chế độ A: Là chế độ khuếch đại cả hai bán kỳ (Dương và Âm của tín hiệu hìn sin) ngõ vào.Chế độ này có hiệu suất thấp (Với tải điện trở dưới 25%)nhưng méo phi tuyến nhỏ nhất, nên được dùng trong các trường hợp đặc biệt. - Khuếch đại công suất loại AB: Transistor được phân cực ởgần vùng ngưng. Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳcủa tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nữa chu kỳ- dương hoặc âm - của tín hiệu ngõ vào). Chế độ AB:Có tính chất chuyển tiếp giữa A và B. Nó có dòng tĩnh nhỏ để tham gia vào việc giảm méo lúc tín hiệu vào có biên độ nhỏ - Khuếch đại công suất loại B: Transistor được phân cực tại VBE=0 (vùng ngưng). Chỉmột nữa chu kỳâm hoặc dương - của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.. Chế độ B: Là chế độ khuếch đại một bán kỳ của tín hiệu hìn sin ngõ vào, đây là chế độ có hhiệu suất lớn (h=78%), tuy méo xuyên giao lớn nhưng có thể khắc phục bằng cách kết hợp với chế độ AB và dùng hồi tiếp âm Khuếch đại công suất loại C: Transistor được phân cực trong vùng ngưng đểchỉmột phần nhỏhơn nữa chu kỳcủa tín hiệu ngõ vào được khuếch đại. Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ởtần sốcao với tải cộng hưởng và trong các 49 ứng dụng đặc biệt. Chế độ C: Khuếch đại tín hiệu ra nhỏ hơn nửa tín hiệu sin, có hiệu suất khá cao (> 78%)nhưng méo rất lớn. Nó được dùng trong các mạch khuếch đại cao tần có tải là khung cộng hưởng để chọn lọc sóng đài mong muốn và để có hiệu suất cao. * Chế độ D: Tranzito làm việc như một khoá điện tử đóng mở. Dưới tác dụng của tín hiệu vào điều khiển Tranzito thông bão hoà là khoá đóng, dòng điện chạy qua tranzito IC đạt giá trị cực đại, còn khoá mở khi Tranzito ngắt dòng qua Tranzito bằng không IC =0. Ngoài cách phân loại như trên thực tế phân tích mạch trong sửa chữa người ta có thể chia mạch khuếch đại công suất làm hai nhóm. Các mạch khuếch đại công suất được dùng một Tranzito gọi là khuếch đại đơn, Các mạch khuếch đại công suất dùng nhiều Tranzito gọi là khuếch đại kép. 50 H 4.1 Mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất 3.2. Mạch khuếch đại công suất đơn chế độ A có tải là điện trở Mục tiêu: + Mô tả và gải thích mạch khuếch đại công suất + Phân biệt được mạch khuếch đại công suất 3.2.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện. 51 Hình 4.2: Mạch khuếch đại công suất loại A dùng tải điện trở Xem hình 4.2 là một tầng khuếch đại công suất, với các điện trở R1, R2 và Re sẽ được tính toán sao cho BJT hoạt động ở chế độ lớp A. Nghĩa là phân cực chọn điểm Q nằm gần giữa đường tải (Hình 4.1 ). Và để có tín hiệu xoay chiều khuếch đại tốt ở cực thu hạng A, ta có: VCE(Q) ≅ VCC /2. Công suất cung cấp: Pi (DC) = VCC . IC (Q) Công suất trên tải Rc của dòng xoay chiều: Lớp A tiêu hao tốn nhiều công suất, nhất là ở mức tín hiệu rất thấp. Một lý do làm cho khuếch đại lớp A mất công suất nhiều là do nguồn DC bị tiêu tán trên tải 3.2.2. Nguyên lý hoạt động. Mạch khếch đại công suất chế độ A dùng tải điện trở: Trong mạch khuếch đại chế độ A, điểm làm việc thay đổi đối xứng xung quanh điểm làm việc tĩnh. Xét tầng khuếch đại đơn mắc EC và mạch này có hệ số khuếch đại lớn và méo nhỏ. Chỉ xét mạch ở nguồn cấp nối tiếp như sau Trong đó: - Q: Tranzito khuếch đại công suất - Rc: Điện trở tải - Rb: Điện trở phân cực - C: Tụ lên lạc tí hiệu ngõ vào - Vi: Tín hiệu ngõ vào tầng khuếch đại công suất Trong đó: - Q: Tranzito khuếch đại công suất - Rc: Điện trở tải - Rb: Điện trở phân cực - C: Tụ lên lạc tí hiệu ngõ vào - Vi: Tín hiệu ngõ vào tầng khuếch đại công suất - Vo: Tín hiệu ngõ ra tầng khuếch đại công suất Chế độ tĩnh: Dòng phân cực một chiều được tính theo công thức Vcc và Rb: Rb VccIb 7,0-= 52 Tương ứng với dòng cực C là: IbIc .b= Điện áp Vce: RcIcVccVce .-= Từ giá trị Vcc ta vẽ được đường tải một chiều AB. Từ đó xác định được điểm làm việc Q tương ứng vói IBQ trên đặc tuyến ra. Hạ đường chiếu từ điểm Q đến hai trục toạ độ sẽ được ICQ và VCEQ Hình 4.16: Đặc tuyến làm việc của Tranzitor 3.2.3. Ứng dụng của mạch khuếch đại công suất đơn hoạt động ở chế độ A có tải là điện trở. v Chế độ động: Khi có một tín hiệu AC được đưa đến đầu vào của bộ khuếch đại, dòng điện và điện áp sẽ thay đổi theo đường tải một chiều. Một tín hiệu đầu vào nhỏ sẽ gây ra dòng điện cực B thay đổi xung quanh điểm làm việc tĩnh, dòng cực C và điện áp Vce cũng thay đổi xung quanh điểm làm việc này. Khi tín hiệu vào lớn biến thiên xa hơn so với điểm làm việc tĩnh đã được thiết lập từ trước. dòng điện Ic và điện áp Vce biến htiên và đạt đến giá trị giới hạn. Đối với dòng điện, giá trị giới hạn này thấp nhất Imin =0, và cao nhất Imass =Vc/Rc. Đối với điện áp Vce, giới hạn thấp nhất Vce =0v, và cao nhất Vce =Vcc. 3.2.4. Lắp ráp và cân chỉnh mạch v Công suất cung cấp từ nguồn một chiều: IcVccP .= v Công suất ra: + Tính theo giá trị hiệu dụng: IcVcePo .= RcIPo c . 2= 53 Rc V Po c 2 = + Tính theo gá trị đỉnh: RcIIcVcePo c . 22 . 2 == Rc V Po ce .2 2 = + Tính theo giá trị đỉnh - đỉnh: 8 .IcVcePo = RcIPo c . 8 2 = Rc V Po ce 8 2 = v Hiệu suất mạch: Hiệu suất của một mạch khuếch đại phụ thuộc tổng công suất xoay chiều trên tảI và tổng công suất cung cấp từ nguồn 1 chiều. Hiệu suất được tính theo công thức sau: 100. P Po =h % Po:Công suất ra P:Công suất cung cấp từ nguồn một chiều 3.3. Mạch khuếch đại công suất đơn hoạt động ở chế độ A có tải ghép biến áp 3.3.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện. Hình 4.3 Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép biến áp: 54 3.3.2. Nguyên lý hoạt động. Đây là mạch khuếch đại công suất chế độ A với hiệu suất tối đa khoảng 50%, sử dụng biến áp để lấy tín hiệu ra đến tải Rt hình 4.3. Biến áp có thể tăng hay giảm điện áp và dòng điện theo tỉ lệ tính toán trước. Sự biến đổi điện áp theo biểu thức: 1 2 2 1 N N V V = 3.3.4. Ứng dụng của mạch khuếch đại công suất đơn hoạt động ở chế độ A có tải ghép biến áp. Bài 4: Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp OTL hoạt động ở chế độ AB 4.1. Những vấn đề chung về mạch khuếch đại công suất đẩy kéo 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý Ở chế độ B, tranzito sẽ điều khiển dòng điện ở mỗi nửa chu kỳ của tín hiệu. Để lấy được cả chu kỳ của tín hiệu của tín hiệu đầu ra, thì cần sử dụng 2 tranzito, mỗi tranzito được sử dụng ở mỗi nửa chu kỳ khác nhau của tín hiệu, sự hoạt động kết hợp sẽ cho ra chu kỳ đầy đủ của tín hiệu. Hình 4.4 Mạch khuếch đại đẩy kéo dùng biến áp 4.1.2. Nhiệm vu linh kiện R1, R2: Mạch phân cực Q1, Q2: Tranzito khuếch đại công suất. T1: biến áp ghép tín hiệu ngõ vào T2: Biến áp ghép tín hiệu ngõ ra. Rt: Tải ngõ ra Ưu điểm của mạch là ở chế độ phân cực tĩnh không tiêu thụ nguồn cung cấp do 2 Tranzito không dẫn điện nên không tổn hao trên mạch. Mặt khác do không dẫn điện nên không sảy ra méo do bão hoà từ. Hiệu suất của mạch đạt khoảng 80%. Nhược điểm của mạch là méo xuyên giao lớn khi tín hiệu vào nhỏ, khi cả hai vế khuếch đại không được cân bằng. 55 4.1.3. Nguyên lý hoạt đông Nguyên lý hoạt động của mạch: Tín hiệu ngõ vào được ghép qua biến áp T1 để phân chia tín hiệu đưa và cực B của hai Tranzito .ở nửa chu kỳ dương của tín hiệu ngõ vào Q1 được phân cực thuận nên dẫn điện, Q2 bị phân cực nghịch nên không dẫn. ở nửa chu kỳ âm của tín hiệu ngõ vào Q1 bị phân cực nghịch nên không dẫn, Q2 được phân cực thuận nên dẫn điện. Trong thời gian không dẫn điện trên Tranzito không có dòng điện nguồn chảy qua chỉ có dòng điện rỉ Iceo rất nhỏ chảy qua.ở biến áp T2 ghép tín hiệu ngõ ra dòng điện chạy qua 2 Tranzito được ghép trở lại từ hai nửa chu kỳ để ở ngõ ra cuộn thứ cấp đến Rt tín hiệu được phục nguyên dạng toàn kỳ ban đầu. Tại thời điểm chuyển tiếp làm việc của 2 Tranzito do đặc tính phi tuyến của linh kiện bán dẫn và đặc tính từ trễ của biến áp sẽ gây ra hiện tượng méo xuyên giao (méo điểm giao).Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể mắc các mạch bù đối xứng. 4.2. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp OTL hoạt động ở chế độ AB 4.2.1. Sơ đồ nguyên lý. 4.2.2. Nguyên lý hoat đông Mạch khuếch đại công suất ghép trực tiếp mục đích là để bù méo tạo tín hiệu đối xứng chống méo xuyên giao, đựơc sử dụng chủ yếu là cặp Tranzito hổ bổ đối xứng (là 2 tranzito có các thông số kỹ thuật hoàn toàn giống nhau nhưng khác loại PNP và NPN, đồng thời cùng chất cấu tạo) hình 4.19. Nhiệm vụ các linh kiện trong mạch: C: Tụ liên lạc tín hiệu ngõ vào Rt: Điện trở tảI của tầng khuếch đại công suất 56 Q1, Q2: Cặp tranzito khuếch đại công suất hổ bổ đối xứng Mạch có đặc điểm là nguồn cung cấp cho mạch phải là 2 nguồn đối xứng, khi không đảm bảo yếu tố này dạng tín hiệu ra dễ bị méo nên thông thường nguồn cung cấp cho mạch thường được lấy từ các nguồn ổn áp. Hoạt động của mạch: Mạch được phân cực với thiên áp tự động. ở bán kỳ dương của tín hiệu Q1 dẫn dòng điện nguồn dương qua tải Rt, Q2 tắt không cho dòng điện nguồn qua tải. ở bán kỳ âm của tín hiệu Q2 dẫn dòng nguồn âm qua tảI Rt, Q1 tắt. Mạch này có ưu điểm đơn giản, chống méo hài, hiệu suất lớn và điện áp phân cực ngõ ra » 0v nên có thể ghép tín hiệu ra tải trực tiếp. Nhưng dễ bị méo xuyên giao và cần nguồn đối xứng làm cho mạch điện cồng kềnh, phức tạp đồng thời dễ làm hư hỏng tải khi Tranzito bị đánh thủng.Để khắc phục nhược điểm này thông thường người ta dùng mạch ghép ra dùng tụ. Bài 5: Mạch khuếch đại công suất đây kéo nối tiếp OCL hoạt động ở chế độ AB 5.1. Định nghĩa. + Q 1 và Q 2 hoàn toàn giống nhau về đặc tính và cùng loại NPN . + Sử dụng nguồn đối xứng . + Dùng mạch đảo pha phía trước . 5.2. Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp OCL hoạt động ở chế độ AB 5.2.1. Sơ đồ nguyên lý 57 Hình 4.6 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép tụ 5.2.2. Nhiệm vụ của các linh kiện trong mạch: Q1, Q2: Cặp tranzito khuếch đại công suất Q3: Đảo pha tín hiệu R1, R2: Phân cực cho Q1, Q2 đồng thời là tải của Q3 R3, VR: Lấy một phần điện áp một chiều ngõ ra quay về kết hợp với R4 làm điện áp phân cực cho Q3 làm hồi tiếp âm điện áp ổn định điểm làm việc cho mạch. C1: Tụ liên lạc tín hiệu ngõ vào. C2: Tụ liên lạc tín hiệu ngõ ra đến tải. Mạch này có đặc điểm là có độ ổn định làm việc tương đối tốt, điện áp phân cực ngõ ra V0 = VCC/2 khi mạch làm việc tốt. Nhưng có nhược điểm dễ bị méo xuyên giao nếu chọn chế độ phân cực cho 2 tranzito Q1, Q2 không phù hợp hoặc tín hiệu ngõ vào có biên độ không phù hợp với thiết kế của mạch và một phần tín hiệu ngõ ra quay trở về theo đường hồi tiếp âm làm giảm hiệu suất của mạch để khắc phục nhược điểm này người ta có thể dùng mạch có dạng ở hình 4.7: Hình 4.7: Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép tụ cải tiến Trong đó C3: Lọc bỏ thành phần xoay chiều của tín hiệu D1, D2:Cắt rào điện áp phân cực cho Q1 và Q2, Trên thực tế mạch có thể dùng từ 1 đến 4 điôt cùng loại để cắt rào điện thế.Ngoài ra với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện hiện nay các mạch công suất thường được thiết kế sẵn dưới dạng mạch tổ hợp (IC) rất tiện lợi cho việc thiết kế mạch và thay thế trong sửa chữa. Bài 6 : Mạch khuếch đại công suất dùng IC * Mục tiêu của bài: Học xong bài này học viên sẽ có khả năng: - Trình bày chính xác sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện của mạch khuếch đại công suất dùng IC. - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động các mạch khuếch đại công suất dùng IC. - Lắp ráp và cân chỉnh chế độ các mạch khuếch đại công suất dùng IC. 58 - Chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa được các hỏng hóc của các mạch khuếch đại công suất dùng IC. - Cẩn thận đảm bảo an toàn thiết bị và dụng cụ - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ. 6.1. Mạch khuếch đại công suất dùng IC LA4440 6.1.1. Sơ đồ mạch điện H 4.8: Mạch khuếch đại công suất dung Mosfet 6.1.2. Chức năng nhiệm vu linh kiện Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt: - Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai. R2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền của Q1.R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao). - Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai. - R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch. - R15, C2 mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện của tầng khuếch đại vi sai. - Q4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A. - Q3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suẩt. 59 - D1 dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q5. R16 và D1 tác dụng như một mạch bảo vệ. - R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải. 6.1.3. Lắp ráp và cân chỉnh mạch Nối dây: ♦ Cấp nguồn +12V cho mạch A6-2 ♦ Ngắn mạch mA –kế. Các bược thực hiện Bước 1: Ghi giá trị dòng ban đầu qua T1 .........................................3 =RV ; .........................................=DI Bước 2: Dùng thêm tín hiệu từ máy phát tín hiệu Function Generator, và chỉnh máy phát tín hiệu để có: Sóng : Sin , Tần số : 1Khz, VIN(p-p) = 100mV - Nối ngõ ra OUT của máy phát đến ngõ vào IN của mạch. - Dùng dao động ký để quan sát tín hiệu điện áp ngõ vào và ngõ ra. Đo các giá trị VOUT, ΔΦ, tính Av. Ghi kết qủa vào bảng A6-4 Quan sát trên dao động ký và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (VIN) và tín hiệu điện áp ngõ ra (VOUT) 60 Dựa vào trạng thái hoạt động của MOSFET nối kiểu Source chung ở bảng A6-4, nêu nhận xét về các đặc trưng của mạch khuếch đại (về hệ số khuếch đại áp Av, độ lệch pha ΔΦ) ........................................................................................................................................... ............................................................................................................... 6.2. Mạch khuếch đại công suất dùng IC TDA 2030 6.2.1. Sơ đồ mạch điện 6.2.2. Chức năng nhiệm vu linh kiện Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt: - Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai. R2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền của Q1.R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao). - Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai. - R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch. 61 - R15, C2 mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện của tầng khuếch đại vi sai. - Q4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A. - Q3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suẩt. - D1 dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q5. R16 và D1 tác dụng như một mạch bảo vệ. - R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải. 6.2.3. Lắp ráp và cân chỉnh mạch Sơ đồ nối dây : ♦ Cấp nguồn +12V cho mạch A6-3 Các bước thực hiện Bước 1: Lần lượt ngắn mạch các J theo yêu cầu trong bảng A 6-5, để khảo sát mạch đóng mở dùng BJT (T1) và FET (T2), xác định trạng thái các LED và dòng IB trong mỗi trường hợp. Trên cơ sở đó so sánh vai trò đóng mở của BJT và MOSFET. ........................................................................................................................................... ....................................................................................................................... Bài 7: Các mạch bảo vệ Transistor công suất lớn Thời gian: 6 giờ * Mục tiêu của bài: Học xong bài này học viên sẽ có khả năng: 62 - Trình bày chính xác sơ đồ mạch điện và tác dụng của các linh kiện của các mạch bảo vệ cho các Transistor công suất lớn dùng trong lĩnh vực điện tử dân dụng. - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động các mạch bảo vệ cho Transistor công suất lớn. - Lắp ráp và cân chỉnh chế độ các mạch bảo vệ cho Transistor công suất lớn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. - Chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa được các hỏng hóc của các mạch bảo vệ cho Transistor công suất lớn. - Cẩn thận đảm bảo an toàn thiết bị và dụng cụ - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ. 7.1. Định nghĩa. Khuếch đại công suất hạng A có ưu điểm là biến dạng tín hiệu ra nhỏ . Khuếch đại công suất hạng B thì có ưu điểm là cho ra công suất lớn hơn . Do đó bộ khuếch đại hạng AB là bộ khuếch đại có tính chất chuyển tiếp giữa khuếch đại công suất hạng A và khuếch đại công suất hạng B . Vì có dòng điện tĩnh nhỏ nên nó còn có thể giảm độ méo của tín hiệu ra khi tín hiệu vào có biên độ nhỏ. 7.2. Mạch bảo vệ Transistor công suất lớn bằng phương pháp cắt nguồn cho các Transistor công suất lớn 7.2.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện 7.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện. Tín hiêu từ ngõ Main In đưa đến cực B/Q1 được Q1 khuếch đại lấy ra cực C. Truyền đến volume, điều chỉnh âm lượng lấy ra đưa đến cực B/Q2. Q2 khuếch đại lấy ra cực C/Q2. Đưa đến cực C/Q3 đưa đến cực B/Q4, 63 vàB/Q5 có tín hiệu giống y như nhau vì Diode D1 phân cực thuận xem như nối tắt về mặt tín hiệu (nội trở Diode rất nhỏ). - Giả sử tại cực C/Q3 tín hiệu hình sin có nửa bán kỳ dương , làm cho Q4 phân cực thuận. Q5 phân cực nghịch, nên Q4 dẫn, Q5 ngưng dẩn. Dòng Ic/Q4 có dạng nửa hình sin nạp vào tụ C7 qua loa xuống mass, tạo động lực đẩy loa .Và nửa bán kỳ âm nên Q4 phân cực nghịch, Q5 phân cực thuận nên Q4 ngưng, Q5 dẫn làm cho dòng Ic/Q5 (cũng có dạng nửa hình sin) từ cực dương của tụ C7 xả xuống mass qua loa về cực âm của tụ ngược chiều với Ic/Q4, nên tạo động lực kéo loa. Loa được kéo – đẩy làm rung màng loa phát ra âm thanh theo tần số tín hiệu. Nên mạch khuếch đại công suất như trên gọi là công suất đẩy kéo (Push-pull). - Như vậy dòng điện qua tải là dòng điện nửa hình sin ngược chiều nhau. Nghĩa là dòng diện qua tải trong 1 chu kỳ là dòng điện nửa hình 7.3. Mạch bảo vệ Transistor công suất lớn bằng phương pháp cắt nguồn cho các Transistor công suất lớn 7.3.1. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện. 7.3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai. Cách tính phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số điểm đặc biệt: - Q1 và Q2 là mạch khuếch đại vi sai. R2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền của Q1.R1, C1 dùng để giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao). - Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch đại visai. - R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết định độ lợi điện thế của toàn mạch. - R15, C2 mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp điện của tầng khuếch đại vi sai. - Q4 dùng như một tầng đảo pha ráp theo mạch khuếch đại hạng A. - Q3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suẩt. 64 - D1 dùng để giới hạn biên độ vào cực cổng Q5. R16 và D1 tác dụng như một mạch bảo vệ. - R17 và C8 tạo thành tải giả xoay chiều khi chưa mắc tải. 7.3.3. Lắp ráp và cân chỉnh các mạch bảo vệ Transistor công suất lớn Sơ đồ nối dây : ♦ Cấp nguồn +12V cho mạch A6-3 Các bước thực hiện Bước 1: Lần lượt ngắn mạch các J theo yêu cầu trong bảng A 6-5, để khảo sát mạch đóng mở dùng BJT (T1) và FET (T2), xác định trạng thái các LED và dòng IB trong mỗi trường hợp. 65 7.3.2. Nguyên hoạt động của mạch điện. Các bước thí nghiệm: Bước 1: Chỉnh biến trở P1 sao cho Vout ≈ 0V (DC) Bước 2: Chỉnh P3 sao cho VAB =1,4V - Đo VAC = . và VBC = = . So sánh, nhận xét? - Đo VBE (Q6) = . , VBE (Q8) = . Cho biết trạng thái hoạt động của Q6 và Q8? Bước 3: Chỉnh P3 max (VAB ~2,6V). Tương tự bước 2 đo: - Đo VAC = . và VBC = = . So sánh, nhận xét? - Đo VBE (Q6) = . , VBE (Q8) = . Cho biết trạng thái hoạt động của Q6 và Q8? Bước 4: Dùng tín hiệu AC từ máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATION để đưa đến ngõ vào IN của mạch và chỉnh máy phát để có : Sóng Sin, f = 1Khz., VIN (pp) = 30mV. Bước 5: Chỉnh P3 từ min đến max để quan sát dạng sóng ra. Nhận xét ? Chỉnh P3 để dạng sóng ra đẹp nhất. Đo các giá trị VIN, VOUT, tính Av. Đo độ lệch pha ΔΦ giữa tín hiệu ngõ vào VIN và tín hiệu ngõ ra VOUT ghi kết qủa vào bảng Bước 7: Quan sát trên dao động ký và vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ dạng tín hiệu điện áp ngõ vào (VIN) và tín hiệu điện áp ngõ ra (VOUT) 66 Bước 8: Chỉnh biến trở P1, quan sát sự thay đổi của biên độ tín hiệu ra, giải thích? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. Bước 9: Chỉnh biến trở P2, quan sát sự thay đổi của biên độ tín hiệu ra, giải thích? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. Bước 10: Dùng dao động ký đo và vẽ tín hiệu điện áp tại cực E của 2 transistor T6 , T7 trên cùng đồ thị. Nhận xét quan hệ về pha giữa chúng. Bước 11: Dùng lý thuyết đã học xác định hệ số khuếch đại áp (Av) toàn mạch. Nhận xét gì về Av thí nghiệm với Lý thuyết? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. Bước 12: Cho biết chức năng của các Transistor T3 trong mạch? ........................................................................................................................................... ............................................................................................................... ............................................................................................................................. Bước 13; Đưa tín hiệu ra loa, ngắn mạch J4, cho biết vai trò của C4 và R12 ? ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ................................................................................................. Bài 8: Nguồn điện một chiều Thời gian : 18 giờ * Mục tiêu của bài: Học xong bài này học viên sẽ có khả năng: 67 - Trình bày chính xác sơ đồ mạch điện, tác dụng của các linh kiện và các ứng dụng của các mạch chỉnh lưu, lọc và ổn áp nguồn - Phân tích đúng nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lưu, lọc và ổn áp nguồn - Lắp ráp và cân chỉnh các mạch chỉnh lưu, lọc và ổn áp nguồn đúng chỉ tiêu kỹ thuật. - Chẩn đoán, kiểm tra và sửa chữa được các hỏng hóc của các mạch chỉnh lưu, lọc và ổn áp nguồn - Cẩn thận đảm bảo an toàn thiết bị và dụng cụ - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ. 8.1. Giới thiệu chung về nguồn điện một chiều. - Bài học này giới thiệu về nguyên lý mạch điện, các thông số cơ bản đánh giá về các mạch biến đổi công suất (chỉnh lưu) cố định một pha bán kỳ M1, toàn kỳ M2 và B2, mạch chỉnh lưu 3 pha bán kỳ M3 và toàn kỳ B6 - Nội dung bài còn đi sâu vào khảo sát về dòng điện, điện áp cũng như công suất trong các mạch nêu trên nhằm giúp người học có khả năng phân tích, phán đoán các nguyên nhân hư hỏng có thể xảy ra trong thực tế 8.1.1. Chức năng Như đã đề cập ở các bài trước, nguồn cấp điện một chiều thường được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha vì các máy phát điện một chiều ngày càng ít thông dụng. Trong thiết bị điện tử công suất thường gặp các giá trị dòng thuận lớn và điện áp nghich cao. Do đó, chỉ các diode silicon trong các mạch điện ở phần sau được dùng làm van chỉnh lưu Khác với điện áp một chiều từ nguồn pin hoặc các nguồn ổn áp, điện áp ra của các mạch chỉnh lưu không cố định theo thời gian mà có dạng xung một chiều, còn được gọi là điện áp hổn hợp, điện áp này có thể đo được bằng các thiết bị đo từ điện (trị trung bình) hoặc thiết bị đo điện từ (hiệu dụng). Nếu dùng các thiết bị đo có chỉnh lưu (VOM) thì hệ số hình dáng của điện áp đo phải được tính toán, điều này là cần thiết vì thang đo của loại thiết bị này được khắc độ theo trị hiệu dụng, hệ số hình dáng được chọn giá trị là F = 1,11 (IFAV ≠ IFRMS) Với điện áp và dòng DC có dạng xung, sự sai biệt giữa trị trung bình với trị hiệu dụng là kết quả của sóng hài. 8.1.2. Sơ đồ khối và chức năng các khối Điện áp hổn hợp ở hình 4.3 bao gồm thành phần DC lý tưởng Ud và thành phần AC hình sin với 68 Đối với điện áp ở hình 3.3, giá trị trung bình của điện áp hổn hợp được đo bằng dụng đo từ điện là : Ud = 10 V Trị hiệu dụng của điện áp hổn hợp là Với Ud = û = 10 V, suy ra : Như đã đề cập ở trên, trong thực tế các giá trị hiệu dụng thường được đo bằng các thiết bị đo điện từ Trong trường hợp tải thuần trở, phương pháp đo này cũng được áp dụng khi xem các giá trị đo Ud ≠ Um và tương tự như thế Id ≠ Im Sự khác nhau này cũng đúng với công suất 8.2. Mach chỉnh lưu 8.2.1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Giả sử Ploss = 0 W đối với mạch chỉnh lưu lý tưởng, do đó : Kết quả là P(AC) = P(DC) Điều này cũng được chứng minh trực tiếp bằng cách dùng thiết bị đo kiểu điện động 69 Hình 3.4 Sơ đồ mạch chỉnh lưu lý tưởng với đồng hồ đo công suất P = Pm Từ hình 3.4, công thức tính công suất chỉ đúng trong biểu thức sau : Pm = Um x Im > Ud x Id Công suất một chiều Pm lớn hơn công suất một chiều Pd, nếu kể đến công suất dư Pex là công suất tạo nên bởi thành phần gợn sóng hoặc bởi các sóng hài Trong trường hợp lý tưởng Uripp = 0 suy ra : P(a.c) = Ud x Id Điện áp gợn sóng được định nghĩa là giá trị hiệu dụng của các sóng hài Vì trong lĩnh vực điện tử công suất các thành phần gợn sóng chủ yếu phụ thuộc vào mạch chỉnh lưu, hệ số gợn sóng được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp gợn sóng với điện áp một chiều 8.2.2. Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ biến áp có điểm giữa Nếu điện áp ở hình 3.3 đặt lên một tải thuần trở thì công suất thực sự rơi trên tải sẽ là : Gồm hai thành phần Hệ số gợn sóng w của điện áp một chiều dạng xung là : 70 8.2.3. Mạch chỉnh lưu cầu Trong lĩnh vực điện tử công suât, mạch này không quan trọng lắm do mạch có nhiều đặc điểm không phù hợp với các mạch biến đổi công suất. Trong hình 3.5 vì không điều khiển được nên van V10 chỉ bắt đầu dẫn khi điện áp anode dương hơn cathode, điều này chỉ diển ra trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều và tạo nên dòng một chiều chảy ngang qua tải Rload. Giả sử rF << Rload ; u (a.c) = u (d.c) tại mọi thời điểm của bán kỳ dương. Trong khoảng thời gian bán kỳ âm Rload << RR ≈ ∞ Ω, lúc này mạch không dẫn và u = -UAK Hình 3.5 Mạch chỉnh công suất một nửa chu kỳ Trong hình 3.6 giá trị tức thời của điện áp một chiều ở ngõ ra được trình bày đầy đủ và điện áp xoay chiều được biểu diển bằng đường đứt nét Như đã biết, trị hiệu dụng U của điện áp xoay chiều ngõ vào được tính theo công thức (đường đứt nét trong hình 3.6) Trong đó, là trị hiệu dụng của điện áp DC ở ngõ ra (đường gạch chấm) trong hình 3.6 8.2.4. Mạch bội áp Trong thực tế, trị trung bình của điện áp DC ở ngõ ra rất quan trọng, đối với mạch M1 giá trị này được tính như sau : Hình 3.6 Điện áp DC ngõ ra và AC ngõ vào của mạch chỉnh lưu bán kỳ 71 Do trong mạch M1, điện áp DC chỉ xuất hiện trong một bán kỳ nên sẽ phát sinh các dòng điện cao không liên tục trên tải điện trở. Trong nhiều ứng dụng điện tử công suất cần phải tránh những khoảng thời gian không có dòng điện như thế. Điện áp được làm phẳng bằng cách dùng các điện dung nếu không thì thông thường kỹ thuật chỉnh lưu sẽ không có ý nghĩa. Vì đối với tải dòng lớn tụ cũng phải có điện dung rất lớn nên trong các mạch biến đổi công suất dòng điện được làm phẳng bằng cuộn cảm. Đỉnh điện áp nghịch URRM đặt lên diode bằng với đỉnh âm của điện áp xoay chiều 8.3. Mạch lọc Số xung p có nghĩa là số khối điện áp DC xảy ra trong cùng một chu kỳ với điện áp nguồn AC. Trong mạch chỉnh lưu bán kỳ giá trị p = 1 và chỉ có 1 xung xuất hiện có nghĩa là một bán kỳ hình sin trong mỗi chu kỳ, ở bán kỳ thứ hai không có điện áp, khoảng trống điện áp lớn này biểu thị điện áp gợn sóng và hệ số gợn sóng của điện áp DC trong mạch chỉnh lưu. 8.3.1. Tổng quan về mạch lọc Với điện trở có trị số 100 W nối vào nguồn xoay chiều có U = 220 V, công suất rơi trên điện trở là Nếu bây giờ nối điện trở này vào cùng điện áp như trên và nối tiếp với một diode thì chỉ có 50% công suất là 242 W rơi trên điện trở Công suất một chiều được tính như sau : Trong trường hợp này, công suất sai biệt hoặc công suất dư là : P = P – P = 242 W – 98,01 W = 143,99 W Từ đó suy ra điện áp gợn sóng Hệ số gợn sóng của mạch 72 8.3.2. Mạch lọc dùng tụ điện Một cách tổng quát, thành phần DC được cung cấp bởi một mạch biến đổi công suất được tạo nên từ các thành phần từ các van kế cận, các van này được nối với nhau ở anode hoặc cathode. Số lượng các mạch nhánh này còn được gọi là số “đảo mạch” q. Số q ở đây phải là 1 Dòng điện thành phần trong mạch nhánh bằng với dòng thuận trung bình IFAV của một diode (trừ trường hợp các diode nối song song với nhau) IFAV = Id Trong mạch chỉnh lưu bán kỳ, thời gian dòng điện chảy qua diode θ = 1800 trong suốt một nửa chu kỳ T/2 8.3.3. Sơ đồ mạch điện và tác dụng của linh kiện. Vì đối với tải thuần trở, dòng Id và điện áp một chiều Ud quan hệ với nhau bởi định luật ohm, có nghĩa là Ud = Id x Rload Tỉ số dòng điện Cũng thường được xem là một thông số quan hệ, trong mạch chỉnh lưu bán kỳ tỉ số này chính là I = IFRMS = Im Nếu bao gồm biến áp như ở hình 4.5 khi khảo sát dòng điện sẽ phát sinh một mâu thuẫn. Ngay cả khi trong biến áp không có tổn hao và tỉ số biến áp r = 1 thì giá trị hiệu dụng bên sơ cấp Imains cũng nhỏ hơn trị hiệu dụng dòng thứ cấp I. Điều này được giải thích từ hình 3.7 8.3.4. Nguyên lý hoạt động của mạch điện. Như đã biết, dòng vào của mạch là dòng hổn hợp bao gồm thành phần DC và AC. Tuy nhiên, do biến áp chỉ làm việc với dòng xoay chiều , thành phần một chiều chỉ chảy bên cuộn thứ cấp sẽ tạo nên từ trường một chiều trong lõi thép 73 Hình 3.7 Dòng thứ cấp I trong mạch chỉnh lưu bán kỳ tải thuần trở Trong trường hợp lý tưởng, đồ thị dòng sơ cấp Imains có thể được xác định bằng cách dịch chuyển trục thời gian của dòng hỗn hợp thứ cấp I. điều này cần thiết để diện tích phần dương và âm của dòng điện theo thời gian bằng nhau. Tuy nhiên, trong thực tế kết quả nhận được giống như trình bày trong hình 3.8 Hình 3.8 Dạng dòng điện sơ cấp của mạch chỉnh lưu M1 tải thuần trở Trong khoảng thời gian bán kỳ dương, công suất được truyền sang bên thứ cấp. Mặt khác, năng lượng từ hóa biến áp được tạo nên bởi một xung dòng cao trong khoảng thời gian bán kỳ âm của điện áp Hệ số gợn sóng w (hình 3.7) lá 121%, dòng xoay chiều sơ cấp trong điều kiện lý tưởng là : Dòng hỗn hợp bên thứ cấp được tính theo công thức Im = 1,57 x Id Sau đó, mặc dù số vòng dây bên sơ và thứ cấp bằng nhau (N1 = N2), tỉ số dòng điện cũng không bằng 1, nhưng : Như đã lưu ý ở các phần trước, kết quả này có 1 ý nghĩa đặc biệt trong quá trình tính tóan biến áp. 74 8.3.5. Ứng dụng của mạch dùng tụ điện. Đối với điện áp và dòng điện DC lý tưởng, công suất DC được tính theo công thức Pd = Ud x Id Tuy nhiên, khi điện áp DC có dạng xung Pm = Um x Im 8.3.6. Mạch lọc RC Điều này đã được chứng minh trong trường hợp không có tổn hao, giá trị này bằng với công suất xoay chiều P Công suất biểu kiến S bên cuộn thứ cấp Với tỉ số biến áp là r, công suất ngõ vào là Việc tính toán biến áp dựa trên công suất biểu kiến S = U x I. Không cần quan tâm đến hệ số công suất cos bởi vì mạch từ và sự cách ly được thiết kế dựa trên biên độ của điện áp cung cấp trong khi phần dẫn điện và các đại lượng làm nguội được xem là hàm của dòng điện hiệu dụng. 8.3.7. Mạch lọc dùng cuộn dây Trong kỹ thuật điện truyền thống, đối với biến áp lý tưởng thì công suất biểu kiến bên sơ và thứ cấp bằng nhau. Cơ sơ của sự bằng nhau này sự giả định điện áp và dòng điện là hình sin. Tuy nhiên, với một giả định như thế ít được áp dụng trong điện tử công suất. Điện áp hình sin xuất hiện trong biến áp của bộ biến đổi công suất nhưng dòng điện thì lại không phải là hình sin và thường khác nhau ở bên sơ và thứ cấp. 8.3.8. Mạch lọc LC Trên cơ sơ bằng nhau này, thuật ngữ “công suất ước lượng máy biến áp” được đề nghị trong điện tử công suất, để tính đến các hiệu ứng đặc biệt do thành phần DC bên thứ cấp. Trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ 75 Lưu ý : Trong nhiều sổ tay kỹ thuật thường cho biết tỉ số công suất và ST được thay bằng PT. 8.4. Mạch ổn áp Hình 3.9 Mạch chỉnh lưu một bán kỳ Đo dạng sóng các giá trị thay đổi sau : - Điện áp chính Us - Điện áp ngõ ra chỉnh lưu Ud - Dòng điện ngõ ra Id( khi điện áp rơi trên Rm ) • Vẽ các dạng sóng trên các biểu đồ đã cho ở hình 3.9 8.4.1. Những vấn đề chung về mạch ổn áp Hãy so sánh Usvà Ud . Bằng cách nào đã làm cho 2 điện áp nầy có sự khác nhau và sự khác nhau này xuất phát từ đâu ? Hình 3.11 Đo dòng và áp mạch chỉnh lưu bán kỳkhông điều khiển đối với tải hổn hợp RL 76 Hình 3.12 Đo dạng sóng các đại lượng thay đổi sau : -Điện áp ngõ ra Ud - Dòng điện ngõ ra Id( khi điện áp rơi trên Rm) • Vẽ dạng sóng được chỉ rõ trên biểu đồ Hình 3.13 8.4.2. Mạch ổn áp đơn giản dùng Diode Zener Mạch chỉnh lưu gồm 2 dạng : sơ đồ dùng biến áp có điểm giữa và sơ đồ dùng cầu diode. Khác với chỉnh lưu bán kỳ trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ dòng chỉnh lưu vẫn tồn tại trong khoảng thời gian bán kỳ âm của lưới điện. Điện áp lưới có thể đưa trực tiếp vào mạch chỉnh lưu cầu không cần qua trung gian một biến áp. Đây cũng là lý do làm cho mạch chỉnh lưu cầu được dùng phổ biến trong thực tế. 8.4.3. Mạch ổn áp tuyến tính nối tiếp dùng Transistor Phần tử cơ bản trong mạch M2 là một biến áp có điểm giữa bên cuộn thứ cấp như trình bày trong hình 3.14. Trên nguyên tắc mạch này gồm hai mạch M1 ghép song song với nhau 77 Hình 3.14 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ M2 Cuộn thứ cấp được xem như là cuộn dây 2 pha với các điện áp pha là Uphase 1 và Uphase 2. Điện áp giữa hai pha này là U = Uphase 1 + Uphase 2 Điện áp một chiều ở ngõ ra bằng hai lần so với khi dùng cuộn dây 1 pha Điện áp trên các diode cũng bằng 2 lần, một ưu điểm của sơ đồ là các diode có cùng điện áp và có thể được gắn trực tiếp trên cùng cánh tỏa nhiệt. Đặc tính của mạch M2 trong hình 3.15 điện áp DC ngõ ra được vẽ bởi đường liên tục và điện áp xoay chiều giữa hai pha là đường đứt nét Hình 3.15 Dạng điện áp trong mạch M2 8.4.4. Mạch ổn áp tuyến tính song song dùng Transistor Mạch cầu B hoặc B2 cũng được xem như là một mạch cầu 1 pha. Như đã biết, trong thực tế các mạch chỉnh lưu thường được áp dụng phù hợp với ưu điểm của từng loại Ngoài các ưu điểm, mạch B2 cũng có khuyết điểm là điện áp thuận bị giảm nhiều hơn trên hai diode V10 và V40 cũng như trên V20 và V30 vì từng cặp diode được nối tiếp nhau khi dần. 78 Theo hình 3.16 cho thấy V10 và V40 dẫn điện trong khoảng thời gian bán kỳ dương trong khi V20 và V30 trong khoảng thời gian bán ký âm của điện áp lưới, nếu kể đến điện áp rơi trên các diode, ta có : Ud = U – 2UF Nếu điện áp một chiều có giá trị cao, có thể xem gần đúng Ud ≈ U Hình 3.16 Mạch chỉnh lưu cầu B2 Hình 3.17 Dạng sóng điện áp trong mạch B2 Do dòng điện DC có mặt trong cả hai bán kỳ nên trị số của dòng này được tính như sau Từ công thức suy ra : Với URRM = , tỉ số điện áp nghịch được tính URRM = 1,57 x Ud 79 Giá trị này được dùng khi tính chọn diode 8.4.5. Mạch ổn áp dùng IC Theo hình 3.17 cho thấy trong một chu kỳ điện áp lưới có hai xung điện áp DC do đó số xung p = 2. Với cos ϕ = 1, 100% công suất biến đổi trong trường hợp này là Hệ số gợn sóng trong mạch B2 Vì dòng điện một chiều Id chảy luân phiên qua hai mạch nhánh, số lần chuyển mạch q = 2. Chuyển mạch là quá trình thay đổi chiều dòng điện từ nhánh này sang nhánh khác với cùng một điện áp. Dòng điện trong hai nhánh cũng bằng nhau. Dòng điện thuận trung bình IFAV qua diode bằng phân nửa dòng tải Id Dòng điện thuận hiệu dụng qua diode IFRMS = 0,785 Id Thời gian dòng điện chảy trong mỗi nhánh là θ = 1800 theo nguyên lý hoạt động của mạch B2, đối với tải thuần trở dòng trong cuộn thứ cấp là hình sin. Tuy nhiên, do dòng xoay chiều và một chiều có quan hệ với nhau Kết quả tương tự Suy ra tỉ số dòng điện Đối với biến áp có r = 1, Imains = I Sử dụng các kết quả ở trên, U = 1,11 x Ud và I = 1,11 x Id để tính công suất biểu kiến S = U x I = 1,11 x Ud x 1,11 x Id = 1,23 x Pd 80 Khi có biến áp công suất này là công suất biểu kiến bên sơ cấp Smains = Umains x Imains = S = 1,23 x Pd Và phương pháp thiết kế ước lượng máy biến áp Do đó, hầu hết các mạch B2 đều có máy biến áp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thế. Kỹ thuật điện tử 1. NXB Giáo dục, Hà Nội, 2003 [2]. Đặng văn Chuyết. Giáo trình kĩ thuật mạch điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2003 [3]. Nguyễn Bính. Kĩ thuật điện tử, NXB Khoa học - Xã hội, Hà Nội, 2001 [4]. Đỗ xuân Thụ. Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 [5]. Đỗ Thanh Hải, Nguyễn Xuân Mai. Phân tích mạch transistor, NXB Thống kê, Hà Nội, 2002. 81