Giáo trình Mô đun Điện tử cơ bản (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Trung cấp)

à Diode có điều khiển, bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn. Hình dáng thực tế 78 Hình 4.2: Hình dáng thực tế của SCR 1.2. Nguyên lý hoạt động của Thyristor Hình 4.3: Thí nghiêm minh hoạ sự hoạt động của Thyristor. Thí nghiệm sau đây minh hoạ sự hoạt động của Thyristor Ban đầu công tắc K2 đóng, Thyristor mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua, đèn không sáng. Khi công tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 đi qua Thyristor làm đèn sáng. Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn, như vậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện. 79 Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưng trang thái hoạt động. Khi Thyristor đã ngưng dẫn, ta đóng K2 nhưng đèn vẫn không sáng như trường hợp ban đầu. 1.3. Đặc tuyến Vôn - A mpe Hình 4.4: Đặc tuyến von – ampe của thyristor Đặc tuyến chia thành bốn vùng rõ rệt. Trước tiên hảy xét trường hợp phân cực ngược thyristo với UAK< 0. Đặc tính ở đoạn này có thể coi như của 2 điốt phân cực ngược mắc nối tiếp (J1và J3). Dòng qua thyristo chính là dòng dò ngược của điốt (giống hệt như dòng ngược bão hoà của điốt). Nếu tăng điện áp ngược dần đến một giá trị nhất định thì hai chuyễn tiếp J1, J3 sẽ lần lượt bị đánh thủng theo cơ chế thác lũ và cơ chế Zener, dòng ngược qua thyristo tăng lên đột ngột (dòng này là do cơ chế đánh thủng J3 quyết định). Nếu không có biện pháp ngăn chặn thì dòng ngược này sẽ làm hỏng thyristo. Vùng đặc tuyến ngược của thyristo trước khi bị đánh thủng gọi là vùng chắn ngược. Khi phân cực thuận thyristo (với UAK> 0), Đầu tiên hãy xét trường hợp cực G hở mạch (IG = 0), chuyển tiếp J1 và J3 lúc này được phân cực thuận còn J2 phân cực ngược. Khi +UAK còn thyristo thì dòng điện chảy qua thyristo lúc này là dòng dò thuận Itx. Giá trị điển hình của dòng dò ngược (IRx) và dòng dò thuận Itx khoảng 100 A. Nếu IG = 0 thì dòng dò thuận sẽ giữ J2. Điện áp thuận ứng với giá trị này gọi là điện áp đánh thủng thuận UBE. Nói một cách khác, khi điện áp thuận tăng đến giá trị này, dòng ICo trong thyristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 và Q2 mở và lập tức chuyển sang trạng thái bão hoà. Thyristo chuyển sang trạng thái mở. Nội trở của nó đột ngột giảm đi, điện áp sụt trên hai cực A và K cũng giảm xuống đến giá trị UE gọi là điện áp dẫn thuận. Phương pháp chuyển thyristo từ khoá sang mở bằng cách tăng dần UAK gọi là kích mở bằng điện áp thuận. Nếu IG khác 0, dòng IG do UGK cung cấp sẽ cùng với dòng ngược vốn có trong Thyristo ICo làm cho Q2 có thể mở ngay điện áp UAK nhỏ hơn nhiều giá trị kích mở lúc IG = 0. Dòng IG càng lớn khi thì UAK cần thiết tương ứng để mở thyristo càng nhỏ. (ở đây 80 cũng cần nói thêm rằng cho dù ngay từ đầu tiên điện áp UGK đã cung cấp một dòng IG lớn hơn dòng mở cực tiểu của Q2, nhưng điện áp UAK vẫn chưa đủ lớn để phân cực thuận Q1 và Q2 thì thyristo vẫn chưa mở). Như đặc tuyến đã cho Hình 4.4 mức dòng khống chế IG tăng từ IG1 đến G4 tương ứng với mức điện áp UAK giảm xuống từ U1 đến U4. Đây là phương pháp kích mở thyristo bằng dòng trên cực điều khiển. Điện áp dẫn thuận UF có thể viết UF = UBE1 +UBE2 = UBE2 + UCE1. Đối với vật liệu silic thì điện áp bão hoà của transitor silic vào cở 0,2V cong UBE như đã biết vào 0,7V; như vậy suy ra UF = 0,9V. Trên phần đặc tuyến thuận, phần mà thyristo chưa mở gọi là miền chắn thuận, miền thyristo đã mở gọi là miền dẫn thuận.Quan sát miền chắn thuận và miềm chắn ngược của thyristo thấy nó có dạng giống như đặc tuyến ngược của điốt chỉnh lưu thông thường. Sau khi các điều kiện kích mở kết thúc, muốn duy trì cho thyristo luôn mở thì phải đảm bảo cho dòng thuận IF lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng ghim I4 (là giá trị cực tiểu của dòng thuận IE). Nếu trong quá trình thyristo mở, IG vẫn được duy trì thì giá trị dòng ghim tương ứng sẽ giảm đi khi dòng IG tăng. Trong các sổ tay thuyết minh các nhà sản suất còn kí hiệu IHC để chỉ dòng ghim khi cực g hở mạch và HHX để chỉ dòng ghim đặc biệt khi giữa cực G và K được nối với nhau bằng điện trở phân cực đặc biệt. 1.4. Các tham số quan trọng của SCR Hai cặp tham số cần chú ý khi chọn SCR là dòng điện và điện áp cực đại mà thyristo có thể làm việc không bị đánh thủng ngược và đánh thủng thuận đã trình bày ở phần trên. điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho thyristo chưa mở theo chiều thuận chính là điện áp thuận, điện áp này thường được kí hiệu là UoM hoặc UFxM đối với trường hợp G nối với điện trở phân cực. Với ý nghĩa tương tự, người ta định nghĩa điện áp chắn ngược cực đại VRoM và IRxM dòng điện thuận cực đại. Công suất tổn hao cực đại FaM và công suất lớn nhất cho phép khi thyristo làm việc, điện áp cực khống chế UG là mức điện áp ngưỡng cần để mở thyristo khi UAK = 6V. Những tham số vừa nêu trên thường được cho trong các sổ tay ở nhiệt độ 250. Với các thyristo làm việc ở chế độ xung tần số cao còn phải quan tâm đến thời gian đóng mở thyristo tm là thời gian chuyễn từ trạng thái đóng sang trạng thái mở và tq là thời gian chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng của thyristo. 81 1.5. Phương pháp đo, kiểm tra SCR Hình 4.5: Minh hoạ cách đo thyristor Để thay thế một SCR trước tiên ta có thể tra cứu để biết được các thông số kỹ thuật của nó và có thể kiểm tra sự tốt xấu của nó có nhiều cách kiểm tra sau đây là một cách kiểm tra bằng đồng hồ VOM. Dùng đồng hồ VOM để ở thang đo Rx1, rồi chập hai đầu que đo để kiểm tra đồng hồ. Sau đó chập hai đầu que đo vào các cặp chân của SCR có bốn cặp điện trở RKA, RAK, RGA, RAG =; hai cặp điện trở lên là RKG và RGK, cặp nào có điện trở nhỏ hơn là RGK (đối với SCR làm bằng Ge); có năm cặp điện trở bằng, chỉ có một cặp điện trở lên là RGK (đối với SCR làm bằng Si) lúc đó ta xác định cực tính theo que đo que đen là cực G, que đỏ là K, chân còn lại là A (vì đối với đồng hồ kim que đen là dương nguồn pin, que đỏ là âm pin). Sau đó ta tiếp tục đặt que đen vào A, que đỏ vào K, khi chưa kích cực G kim đồng hồ không lên, rồi kích nối cực G với que đen thì kim đồng hồ lên một giá trị nào đó, bỏ kích ra và giữ nguyên que đo kim đồng hồ vẫn giữ nguyên giá trị; sau đó đo ngược lại cực tính kim đồng hồ không lên là SCR tốt. - Đo kiểm tra Thyristor Đặt động hồ thang x1Ω, đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim không lên, dùng Tovit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ lên kim, sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt 1.6. Ứng dụng 1.6.1. Mạch khống chế xung đơn giản a. Sơ đồ nguyên lý ; b. Dạng điện áp Hình 4.6: Mạch khống chế xung đơn giản 82 Mạch khống chế đơn xung giản nhất được trình bày như Hình 4.6. Nếu cực G của thyristo trong mạch kể trên luôn luôn được phân cực để cho thyristo thông thì vai trò của thyristo cũng giống như một van chĩnh lưu thông thường. Khi đặt cực G một chuỗi xung kích thích làm thyristo chỉ mở tại những thời điểm nhất định (cùng với chu kỳ dương của điện áp nguồn đặt vào anốt) thì dạng điện áp ra trên tải của thyristo không phải là toàn bộ các nữa chu kì dương như ở các mạch chỉnh lưu thông thường mà tuỳ theo quan hệ pha giữa xung kích và điện áp nguồn, chỉ có từng phần của nữa chu kì dương như Hình 4.6 1.6.2. Mạch khống chế pha 900 Hình 4.7: Mạch khống chế pha 900 Dòng kích mở cực G được lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1. Nếu R1 được điều chỉnh đến giá trị điện trở nhỏ thì thyristo sẽ mở hầu như đồng thời với nửa chu kì dương đặt vào anốt. Nếu R1 được điều chỉnh đến một giá trị lớn thích hợp thì thyristo chỉ mở ở nửa chu kì dương lúc eV đến giá trị cực đại. Điều chỉnh điện trở R1 trong khoảng 2 giá trị này thyristo có thể mở với góc pha từ 0  900.Nếu tại góc pha 900mà IG không mở thyristo thì nó cũng thể mở được bất cứ ở góc pha nào vì tại góc pha 900dòng IG có cường độ lớn nhất. Điốt Đ1 để bảo vệ thyristo khi nữa chu kì âm của nguồn điện đặt vào cực G. 1.6.3. Mạch khống chế pha 180 Mạch này tương tự như mạch khống chế pha 900 ở Hình 4.7 chỉ khác là thêm vào điốt D2 và tụ C1. Khoảng nữa chu kì âm của điện áp đặt vào, tụ C1 được nạp theo chiều âm như dạng điện áp trình bày trên Hình 4.8. Quá trình nạp tiếp diễn tới giá trị cực đại của nữa chu kì âm. Khi điểm cực đại của nữa chu kì âm đi qua điốt D2 được phân cực âm (vì anốt của nó được nối với tụ C1 có điện thế âm so với catốt). Sau đó tụ C1 phóng điện qua điện trở R1. Tuỳ theo giá trị của R1 mà C1 có thể phóng hết (điện áp trên hai cực của tụ bằng 0), ngay khi bắt đầu nữa chu kì dương của nguồn đặt vào thyristo, hoặc có thể duy trì một điện áp âm nhất định trên cực của nó cho mãi tới góc pha 1800 của chu kì dương tiếp sau đặt vào thyristo. Khi tụ tụ C1 tích điện theo chiều âm thì điốt D2 cũng bị phân cực ngược và xung dương không thể đưa vào để kích mở thyristo. Như vậy bằng cách điều chỉnh R1 hoặc C1 hoặc cả hai có thể làm cho thyristo mở ở bất kỳ góc nào trong khoảng từ 0 1800 của chu kì dương nguồn điện áp đặt vào thyristo 83 Hình 4.8: Mạch khống chế pha 1800 1.6.4. Mạch khống chế pha với điốt chỉnh lưu Mạch này chỉ khác với mạch 4.8 là chỉ thay đổi đôi chút về kết cấu mạch để được dạng điện áp ra trên tải theo ý mong muốn. Hình 4.9 điốt D3 được mắc thêm vào làm cho trên tải xuất hiện cả nữa chu kì âm của điện áp nguồn cung cấp, sự khống chế chỉ thực hiện đối với nữa chu kì dương của nguồn Hình 4.9: Mạch khống chế pha với điốt chỉnh lưu 1.4.5. Mạch khống chế đảo mắc song song Hình 4.10: Mạch khống chế đảo mắc song song Bằng cách mắc như Hình 4.9 ta được mạch chỉnh có khống chế dòng thyristo mắc song song ngược chiều. Bằng cách mắc như vậy có thể thực hiện khống chế được cả nữa chu kì dương lẫn chu kì âm. 1.7. Lắp mạch các mạch ứng dụng dùng SCR 1.7.1. Phân tích tích sơ đồ nguyên lý 1.7.1.1. Sơ đồ mạch. 84 Hình 4.11: Mạch điều khiển động cơ AC 1.7.1.2. Chức năng linh kiện trong mạch. - Tải có thể là động cơ DC hay động cơ vạn năng. - SCR là linh kiện điện tử công suất đề ngắt dòng hay cấp dòng điện qua động cơ. - Diode trong mạch dùng để nắn bán kỳ dương nạp vào tụ, tạo điện áp kích cho cực G của SCR. - Tụ C=1F kết hợp điện trở lk và biến trở VR 50 k thành mạch nạp RC để tạo thời gian trễ. - Biến trở VR chỉnh hằng số thời gian nạp: Khi chỉnh nối tắt biến trở VR, hằng số thời gian nạp là: min = R.C = 103. 10-6 = ms Khi chỉnh biến trở VR có giá trị cực đại, hằng sô thời gian nạp là: max = (R+ VR). C = 51. 103 . 10-6 = 51 ms 1.7.1.3. Nguyên lý hoạt động của mạch. Giả thiết điện áp cấp cho cực G đủ để kích SCR dẩn là VG=1V, dòng điện kích IG=1mA. Lúc đó, cũng có dòng điện qua điện trở1k là IR= 1mA, Dòng điện qua điện trở 4,7kQ là: I = IG + IR = 1 mA + lmA = 2 mA Như vậy, để có thể kích SCR dẫn, điện áp trên tụ C phải đạt mức: VC = 2 .10-3. 4,7. 103 + VG = 9,4 + 1 = 10,4 V Tùy thuộc trị số của biến trở VR mà hằng số thời gian nạp điện của tụ lớn hay nhỏ sẽ cho ra thời gian nạp để đạt được điện áp VC= 10.4V dài hay ngắn. Thời gian nạp dài, SCR được kích trễ, dòng điện qua động cơ nhỏ, động cơ quay với tốc độ thấp. Ngươc lại, thời gian nạp ngắn, SCR được kích sớm dòng điện qua động cơ lớn, động cơ quay với tốc độ cao. Như vậy, biến trở VR có tác dụng điều chỉnh tốc độ động cơ nhờ thay đổi hằng số thời gian nạp của tụ. Nhờ có tụ C nạp điện tạo thời gian trễ, nên góc kích cho SCR dẫn có thể điều chính từ 00 đến 1800 85 1.7.2. Lắp ráp mạch 1.7.2.1. Xây dựng quy trình. TT NỘI DUNG THỰC HIỆN YÊU CẦU KỸ THUẬT TB-DC-VT CHÚ Ý 1 Chọn, kiểm tra linh kiện. - C: 224, VR: 250 kΩ, R1,3: 1kΩ, R2: 4,7kΩ. - Diode (1n4007), SCR (2P4M), động cơ AC. - Kiểm tra các linh kiện phải còn tốt. - VOM, ĐC - Tụ điện, điện trở, biến trở. - SCR, diode - Chính xác. - Cẩn thận. 2 Bố trí linh kiện lên test board. - Dựa vào sơ đồ nguyên lý để bố trí. - Linh kiện bố trí không được chồng chéo lên nhau. - Bố trí phù hợp để thuận tiện khi đấu dây. - Test board - Kìm, diode - SCR, R,C VR, ĐC - Chính xác. - Chắc chắn. - Thẫm mỹ. 3 Đấu dây. - Đấu dây đúng sơ đồ mạch điện. - Đi dây gọn, đảm bảo sự kết nối, dẽ sữa chửa. - Kìm - VOM - Dây điện - Chính xác. - Cực tính. - Chắc chắn. - Thẩm mỹ. 4 Kiểm tra, cấp nguồn và đo các thông số kỹ thuật. - Kiểm tra mạch hoạt động tốt - Cấp nguồn (UAC). - Đo điện áp trên chân UC, UG, IG, IR - Kìm - VOM - Dây điện - Chính xác. - Cẩn thận. 1.7.2.2. Lắp ráp. Hình 4.12: Mạch điều khiển động cơ AC Lắp ráp mạch theo quy trình: 86 Bước 1: Chọn, kiểm tra linh kiện. Bước 2: Bố trí linh kiện lên test board. Bước 3: Đấu dây. Bước 4: Kiểm tra, cấp nguồn và đo các thông số kỹ thuật. 1.7.2.3. Vận hành. UAC(V) 12 24 220 UC(V) – min (điều chỉnh VR) UC(V) – max (điều chỉnh VR) IG(mA) – min (điều chỉnh VR) IG(mA) – max (điều chỉnh VR) 2. DIAC 2.1. Cấu tạo - kí hiệu quy ước Hình 4.13 2.1.1. Cấu tạo DIAC (Diode Alternative Current) có cấu tạo gồm 4 lớp PNPN, hai cực A1 và A2, cho dòng chảy qua theo hai chiều dưới tác động của điện áp đặt giữa hai cực A1 và A2. DIAC được gọi là công tắc bán dẫn xoay chiều hai cực (Diode AC Semiconductor Switch). Cấu tạo của DIAC tương đương bốn BJT mắc như hình 4.11. Khi lắp vào mạch AC, ta không cần phân biệt thứ tự. Thực tế khi sử dụng Diac, ta nhớ quan tâm hai thông số: dòng tải và áp giới hạn. Thực tế áp giới hạn của Diac khoảng 20V40V (cụ thể ta tra cứu sổ tay linh kiện để biết chính xác). Hình 4.13. Cấu tạo (a), mạch tương đương với cấu tạo (b), (c). 1.1.2. Kí hiệu, hình dáng và đặc tuyến của Diac Kí hiệu và hình dáng của DIAC. 87 Hình 4.14: Ký hiêu và hình dáng Diac Đặc tuyến của Diac Hình 4.15: Sơ đồ khảo sát sự hoạt động của Diac Khi A1 có điện thế dương thì J1 và J3 phân cực thuận J2 phân cực ngược VCC có giá trị nhỏ thì DIAC ở trạng thái ngưng dẫn (khóa). Nếu tăng VCC đủ lớn để VD = VBO thì DIAC chuyển sang trạng thái mở, dòng qua DIAC tăng nhanh, có đặc tuyến như hình 4.16. Khi A1 có điện thế âm thì hiện tượng tương tự nhưng xuất hiện dòng điện có chiều ngược lại, đặc tuyến như sau Hình 4.16: Đặc tuyến của Diac VBO (Break over): Điện thế ngập, dòng điện qua DIAC ở điểm VBO là dòng điện ngập IBO. Điện áp VBO có trị số trong khoảng từ 20V đến 40V. Dòng tương ứng IBO có trị trong khoảng từ vài chục microampe đến vài trăm microampe. Ta thường dùng DIAC trong mạch tạo xung kích cổng TRIAC. 2.2. Nguyên lý hoạt động của Diac Mạch mô tả nguyên lý hoạt động của Diac như Hình 4.17 88 Hình 4.17:Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của Diac Ta thấy khi U đạt đến giá trị UBo hoặc - UBo thì dòng I tăng vọt với giá trị | UBo | xác lập, tức ngưỡng ổn áp. Giống đặc tuyến làm việc của 2 Diốt zene ổn áp dương và ổn áp âm. Vì vậy, ta có thể ghép đối tiếp (nối tiếp và đối đầu) 2 điốt Zene để thay thế Diac khi cần thiết Hình 4.16 Hình 4.18: Thay thế Diac bằng nối tiếp đối đầu hai điốt zener 2.3. Phương pháp đo, kiểm tra DIAC Dùng đồng hồ VOM để ở thang đo Rx1, rồi chập hai đầu que ño ñeå kieåm tra ñoàng hoà. Sau ñoù đưa hai ñaàu que ño vaøo 2 chaân cuûa DIAC và tiến hành đổi que đo, sau 2 lần đổi que đo nếu VOM đều cho kết quả ∞ thì chứng tỏ DIAC còn tốt. Các trường hợp khác là DIAC hỏng 2.4. Ứng dụng. Dùng lấy dòng cấp cho TRAC hoạt động 3. TRIAC 3.1. Cấu tạo - kí hiệu quy ước Cấu tạo,sơ đồ tương đương của triac như Hình 4.17. Các cực của nó là MT1, MT2 và G. MT2 đóng vai trò anốt, MT1 đóng vai trò ca tốt khi VMT2> VG > VMT1. MT1 đóng vai trò anốt, MT2 đóng vai trò catốt khi VMT2< VG < VMT1 89 Hình 4.19: Cấu tạo, sơ đồ tương đương của Triac Thực chất Triac được chế tạo bởi ghép song song 2 SCR với nhau như Hình 4.20 a b Hình 4.20: Triac được chế tạo bởi 2 SCR ghép song song (a) và kí hiệu triac (b) Hình dáng của Triac Hình 4.21: Hình dáng thực tế củaTriac 3.2. Nguyên lý hoạt động Mạch mô tả cách phân cực cho Triac 90 Hình 4.22: Mạch điện mô tả nguyên lý hoạt động triac Theo cách mắc trên, rỏ ràng là khi mỗi xung dương vào cực G  thì cả 2 SCR1 và SCR2 đều hoạt động  dòng điện dẫn thông cả 2 chiều từ MT2 MT1 và ngược lại từ MT1 MT2.Ta lưu ý quan trọng là khi cấp phân cực cho triac hoạt động, đó là: VMT2 > VG > VMT1 hoặc VMT2< VG < VMT1 Lưu ý: Khi sử dụng Triac để thiết kế mạch, lắp ráp, thay tương đương... điều ta cần quan tâm là: - Dòng kích IG ? Bằng cách tra cứu sổ tay linh kiện (căn cứ mã số ghi trên - Áp UMT2 - MT1 - Dòng tải IMT2 3.3. Ứng dụng triac - Như một rơle không tiếp điểm Hình 4.23 Hình 4.23: Triac như một role Mồi điện cho cuộn dây  k đóng a với b.ở rơle cuộn dây, khi công tắc K đóng, mở liên tục  gây tiếng ồn và dễ làm sinh ra phóng lửa hồ quang (nhất là sử dụng ở mạch cấp dòng lớn)  tiếp điểm mau hỏng. Nếu ta sử dụng Triac thì sẽ tránh được hai khuyết điểm trên. Chính vì vậy Triac còn có tên gọi là rơle AC không tiếp điểm: Mạch khống chế dùng triac 91 Hình 4.24: Mạch khống chế dùng triac Điều chỉnh tốc độ quạt điện Chỉnh độ sáng của đèn Hình 4.25 Ta mắc nối tiếp quạt M (hoặc bóng đèn Đ) với triac như hình vẽ. Điện áp mồi cho cực G của triac qua R1, VR1 và Diac, ta thấy rằng khi chỉnh thay đổi VR1 C1 nạp, xả áp mở thông Diac với thời gian dài, ngắn  cực G của triac được kích thông trùng nhịp với MT2 nhiều ít  Motor quạt quay nhanh, chậm tương ứng hoặc đèn sáng nhiều, ít tương ứng theo chỉnh VR1. Hình 4.25: Mạch điện điều chỉnh tốc độ quạt điện ; độ sáng của đèn 3.4. Cách đo và kiểm tra Triac Cách 1: Sử dụng đồng hồ VOM để giai đo Rx1 Ω để đo và xác định các cực T1, T2, G: Gọi các chân Triac là X, Y, Z. + Đo điện trở từng cặp chân Triac. Đọc kết quả chỉ có một cặp chân của Triac có điện trở xác định (chú ý giá trị điện trở này không đổi khi thay đổi cực tính que đo). Giả sử đó là cặp chân X, Y. Ta kết luận chân Z còn lại là T2. Đặt que đen của VOM (+ của pin) vào chân T2, que đỏ vào một trong hai chân còn lại) giả sử là chân X ta kích xung dương vào chân Y. Nếu kim đồng hồ giảm về bên phải rồi đứng im thì chân X là cực G và Y là T1. Nếu VOM giảm về bên phải và không đứng im mà hơi trả ngược lại thì chân X là T1 và Y là cực G (kích xung dương bằng cách chạm nhẹ que đen vào chân muốn kích). 92 Cách 2: Cách kiểm tra Triac: - Dùng thang đo R1: Đo  thuận nghịch 2 đầu MT2, MT1 và G có số  rất lớn. Tốt nhất ta mắc mạch sau để thử (Hình 2.24) Hình 4.26: Mắc mạch để thử Triac - Nếu triac tốt  thì ta bấm S rồi buông ra bóng đèn vẫn sáng Kiểm tra xác định chất lượng DIAC: Ta dùng thang đo R10 đo 2 lần đầu MT1 và MT2 nếu: Khoảng > vài trăm  tốt - Zero  bị nối tắt - Không lên  bị đứt. 3.5. Lắp mạch các mạch ứng dụng dùng TRIAC, DIAC 3.5.1. Sơ đồ mạch. Hình 4.27: Mạch điều khiển động cơ 3.5.2. Chức năng linh kiện trong mạch R1,VR: Dẫn dòng nạp cho tụ điện C, VR vừa có tác dụng thay đổi thời gian nạp xả cho tụ điện C để thay đổi tốc độ làm việc của động cơ. C: Phóng nạp tạo điện áp ngưỡng để mở DIAC. DIAC: Dẫn dòng vào cực điều khiển của TRIAC. TRIAC: giống như một công tắc đóng mở để dẫn dòng vào động cơ. 93 L: Tải (thiết bị cần điều khiển) UV: Nguồn cấp xoay chiều. 3.5.3. Nguyên lý hoạt động của mạch - Khi cấp nguồn điện áp xoay chiều hình sin : Giả sử ½ chu kỳ đầu điện áp vào dương (+trên, - dưới)  tụ điện C được nạp điện Inạp (+UV R1 VR C -UV). Khi tụ điện C nạp đầy  DIAC dẫn cho dòng vào cực điều khiển của TRIAC qua điện trở RG  TRIAC dẫn và cho dòng qua động cơ (+UV T2TRIAC T1TRIAC Đ/c -UV). ½ chu kỳ sau điện áp vào âm (-trên, +dưới)  tụ điện C được nạp điện Inạp (+UV  C VR  R1 -UV). Khi tụ điện C nạp đầy  DIAC dẫn cho dòng vào cực điều khiển của TRIAC qua điện trở RG  TRIAC dẫn và cho dòng qua động cơ (+UV  Đ/c T1TRIAC  T2TRIAC -UV). - Muốn cho động cơ quay nhanh hay quay chậm  ta điều chỉnh cho TRIAC mở lớn hay mở nhỏ  ta điều chỉnh cho DIAC mở lớn hay mở nhỏ  thay đổi thời gian nạp xả của tụ điện C  điều chỉnh biến trở VR nhỏ hay lớn. 3.5.4. Lắp ráp mạch. 3.5.4.1. Xây dựng quy trình. TT NỘI DUNG THỰC HIỆN YÊU CẦU KỸ THUẬT TB-DC-VT CHÚ Ý 1 Chọn, kiểm tra linh kiện. - C1: 224, C2: 104, VR: 250 kΩ, R1: 10kΩ, R2: 270Ω. - DIAC (DB3), TRIAC (BATA12, BT134, BT137), động cơ AC. - Kiểm tra các linh kiện phải còn tốt. - VOM, ĐC - Tụ điện, điện trở, biến trở. - Triac, Diac - Chính xác. - Cẩn thận. 2 Bố trí linh kiện lên test board. - Dựa vào sơ đồ nguyên lý để bố trí. - Linh kiện bố trí không được chồng chéo lên nhau. - Bố trí phù hợp để thuận tiện khi đấu dây. - Test board - Kìm, diode - Triac, R,C VR,diac - Chính xác. - Chắc chắn. - Thẫm mỹ. 3 Đấu dây. - Đấu dây đúng sơ đồ mạch điện. - Đi dây gọn, đảm bảo sự kết nối, dẽ sữa chửa. - Kìm - VOM - Dây điện - Chính xác. - Cực tính. - Chắc chắn. - Thẩm mỹ. 4 Kiểm tra, cấp nguồn và đo các thông số kỹ - Kiểm tra mạch hoạt động tốt - Cấp nguồn (UAC). - Đo điện áp trên chân UC1, UG, IG - Kìm - VOM - Dây điện - Chính xác. - Cẩn thận. 94 thuật. 3.5.4.2. Lắp ráp (Hình 4.27) Lắp ráp mạch theo quy trình: Bước 1: Chọn, kiểm tra linh kiện. Bước 2: Bố trí linh kiện lên test board. Bước 3: Đấu dây. Bước 4: Kiểm tra, cấp nguồn và đo các thông số kỹ thuật. 3.5.4.3. Vận hành. UAC(V) 12 24 220 UC1(V) – min (điều chỉnh VR) UC1(V) – max (điều chỉnh VR) IG(mA) – min (điều chỉnh VR) IG(mA) – max (điều chỉnh VR) 4. IGBT 4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT - IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ. + Cấu trúc bán dẫn của IGBT: Hình 4.28: Cấu tạo IGBT + Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 Transistor n-p-n và 1 Mosfet 95 Hình 4.29: Sơ đồ tương đương cấu tạo IGBT Hình 4.30: Ký hiệu IGBT Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emito với colecto. có thể coi IGBT tương đương với một transitor p-n-p với dòng bazo đươc điều khiển bởi một Mosfet. Dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uge > 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành giống như ở cấu trúc Mosfet các điện tử di chuyển về phía colecto vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazo và colecto ở transistor thường tạo nên dòng colecto. Hình dáng thực tế Hình 4.31: Hình dáng của IGBT 4.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai 96 thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT. Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT: Hình 4.32: Sơ đồ thí nghiệm đóng cắt của IGBT a. Quá trình mở của IGBT Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vào tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị ngưỡn Uge (3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa Colecto-Emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trong thời gian Tr. Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và Emiter tăng đến giá trị Uge xác định giá trị dòng I0 qua colecto. Do diode D0 còn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp Uce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ nguyên Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong chế đô tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hổi của diode D0 dòng phục hồi của diode D0 tạo nên xung dòng trên mức dọng Io của IGBT. Điện áp Uce bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colecto dẫn đến điện trở Colecto-Emite về đến giá trị Ron khi bão hòa hoàn toàn Uce= I0 Ron. Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và emito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuối cùng Ug. 97 Hình 4.33: Đồ thị quá trình mở của IGBT b. Quá trình khóa IGBT Hình 4.34: Đồ thị quá trình đóng của IGBT 4.3. Vùng làm việc an toàn (SOA) Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa, cũng như trong các quá trình đóng cắt. SOA của IGBT được biểu diễn ở hình dưới. 98 Hình 4.35: Vùng làm việc của IGBT Ở hình đầu tiên biểu diễn khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hình thư hai thì điện áp này là âm. Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này có nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóng cắt công suất càng suy giảm. Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn công suất khác. Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao cho tránh được hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điện Ice trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dòng Ice được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó. Tiếp theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh. Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là điều cần thiết khi thiết kế IGBT. 4.4. Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT Hình 4.36: Mạch điều khiển IGBT 99 IGBT là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống như Mosfet nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở. Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu được biểu diễn qua sơ đồ dưới đây: Tín hiệu mở có biên độ Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch GE qua điện trở Rg. Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng +-18V. Do có tụ kí sinh giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiển Mosfet có thể được áp dụng tuy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là +15 và -5V là phù hợp. Mức điện áp âm khi khóa góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển như hình dưới đây: Hình 4.37: Ảnh hưởng của điện áp và điện trở đối với IGBT + Điện trở Rg cũng làm tổn hao công suất điều khiển được mô tả ở hình dưới. Điện trở Rg nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện áp ký sinh trong mạch điều khiển. 4.5. Vấn đề bảo vệ IGBT IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp một chiều, trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp. Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử. Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo qui luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được. Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần tử. Tuy nhiên các mạch dập có thể 100 làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép. Trong trường hợp này điện áp trên cực điều khiển và emito được giảm đi từ tử về điện áp âm khi khóa. IGBT sẽ chuyển về trạng thái khóa qua chế độ tuyến tính, do đó dòng điện bị hạn chế và giảm dần về không, tránh được quá áp trên phần tử. Thời gian khóa của IGBT có thể kéo dài 5 đến 10 lần thời gian khóa thông thường. 4.6. Thực hành nhận dạng và đo thử IGBT Kiểm tra IGBT sử dụng đồng hồ vạn năng số Phải sử dụng đồng hồ vạn năng số có chế độ kiểm tra diode và điện áp nuôn không lớn hơn 20V (thường là nguồn 9V). Kiểm tra Collector-Emittor: Lấy IGBT ra khỏi mạch và nối tắt chân gate với chân Emittor. Đặt đồng hồ ở chế độ kiểm tra diode. Khi cực dương của que đo nối với Emittor và cực âm nối với Collector thì đồng hồ phải chỉ đúng điện áp rơi trên diode bên trong của IGBT. Khi cực dương của que đo nối với Collector và cực âm nối với Emittor thì đồng hồ phải chỉ hở mạch hoặc trạng thái điện trở vô cùng lớn. Khi kiểm tra các IGBT bị hỏng thường cho thấy bị ngắn mạch hoặc hở mạch cả hai chiều hay cả hai chiều đều có điện trở. Kiểm tra Gate Oxide: Đặt đồng hồ vạn năng ở chế độ đo điện trở. Nếu cả điện trở của gate với Emittor và gate với Collector đều là vô cùng lớn thì IGBT vẫn còn tốt. IGBT hỏng thường cho thấy bị ngắn mạch hoặc có điện trở rò giữa chân gate với chân Collector và/hoặc chân Emittor. CÂU HỎ ÔN TẬP Câu 1: Hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SCR? Câu 1: Hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DIAC? Câu 3: Hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TRIAC? Câu 5: Hãy trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBTC? Câu 4: Hãy trình bày ứng dụng các linh kiện điều khiển? 101 Bài 5: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÁN DẪN TÍCH HỢP (IC) Giới thiệu: Lúc đầu các linh kiện điện tử là rời rạc và có nhiều bất tiện vì vậy các nhà khoa học đã cho ra đời loại linh kiện bán dẫn tích hợp hay còn gọi là IC, đây là laoij linh kiện tích hợp nhiều linh kiện rời rạc thành một tổ hợp mạch Mục tiêu: Sau khi học xong bài học này người học có khả năng + Hiểu đựoc các kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính chất, qui cách đóng vỏ và ghi nhãn của linh kiện bán dẫn tích hợp (IC) và một số ứng dụng cơ bản + Đọc được sơ đồ chân của một số Ic thường dùng + Có được lòng yêu nghề, say mê tìm hiểu các kiến thức trong lĩnh vực điện tử. + Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp Nội dung 1. Cấu tạo và các thông số cơ bản của IC tuyến tính 1.1. Cấu tạo chung Vi mạch còn gọi là mạch tích hợp (integrated circuit), gọi tắt là IC. Có hình dang bên ngoài như hình 5.1 Hình 5.1: Hình dạng của vi mạch Đây là các mạch điện tử chứa các linh kiện tích cực (transistor, diode) và linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện có điện dung bé), kích thước rất bé cỡ μm (hoặc nhỏ hơn) được kết nối với nhau theo công nghệ silicon. Tất cả các linh kiện của mạch được chế tạo đồng thời trên một đế (subtrate) làm bằng Silic. Vỏ ngoài của vi mạch thường làm bằng kim loại hoặc bằng chất dẻo (plastic), các linh kiện trong vi mạch không thể tách rời nhau. Mỗi vi mạch sẽ đảm nhiệm một chức năng điện tử nhất định nào đó (khuếch đại, giải mã, lập mã, bộ đếm, bộ nhớ...). 102 Có đến hàng triệu transistor trong một vi mạch, số lượng này ngày càng tăng do số lượng thông tin cần xử lý ngày càng nhiều. Mạch điện tử ngày càng phức tạp, gồm rất nhiều linh kiện điện tử được tích hợp lại. Hiện nay, công nghệ silicon đang tính tới những giới hạn của vi mạch tích hợp và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một loại vật liệu mới có thể thay thế công nghệ silicon này. Hệ thống trên một vi mạch (system-on-a-chip) SOC là một hệ thống điện tử được xây dựng trên một đế silicon. Ý tưởng ban đầu là tích hợp tất cả các linh kiện của một thiết bị điện tử (máy tăng âm, thu hình, máy tính) lên trên một vi mạch đơn (hay còn gọi là một chip đơn). Hệ thống SOC này có thể bao gồm các khối chức năng số, tương tự, tín hiệu kết hợp (mixed-signal) và cả các khối tạo dao động. Một hệ thống điển hình bao gồm một loạt các mạch tích hợp cho phép thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Từ đó ta có mạch tích hợp khuếch đại, mạch lập mã, giải mã, xử lý, bộ nhớ Sự phát triển gần đây của công nghệ bán dẫn cho phép chúng ta tích hợp ngày càng nhiều thành phần vào một hệ thống trên một vi mạch SOC, có thể tích hợp thêm các khối như: bộ xử lý tín hiệu số, bộ mã hóa, giải mã ... tùy theo yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể. Hình 5.2 cho ta cấu trúc bên trong và hình dạng bên ngoài vi mạch Pentium IV Hình 5.2: Cấu trúc bên trong và hình dáng bên ngoài của vi mạch Pentium IV a/ Cấu trúc bên trong, b/ Hình dạng bên ngoài, c/ Dùng trong máy điện toán cá nhân. 1.2. Các thông số cơ bản 1.1.1. Khoảng không gian mà số lượng các linh kiện điện tử chiếm chỗ: Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu bộ phận rời. Nếu không thực hiện bằng vi mạch, thì không những thể tích của nó sẽ quá lớn mà điện năng cung cấp cho nó cũng sẽ vô cùng phức tạp. 103 1.2.2. Độ tin cậy(reliability)của hệ thống điện tử: Là độ đáng tin cậy trong hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế. Độ tin cậy của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ tin cậy của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối tiếp giữa chúng. Hệ thống cáng phức tạp, số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng nhiều. Vì vậy, nếu dùng bộ phận rời cho các hệ thống phức tạp, độ tin cậy của nó sẽ giảm thấp. Một hệ thống như vậy sẽ rất dễ dàng hư hỏng. 1.2.3. Tuổi thọ trung bình t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là: 1 = 1 + 1 + .... + 1 t t t 2 t n 1 Vậy nếu một transistor có tuổi thọ là 106 giờ, thì một máy tính gồm 500.000 transistor sẽ chỉ có tuổi thọ là 2 giờ. Các thành phần trong vi mạch được chế tạo đồng thời và cùng phương pháp, nên tuổi thọ vi mạch xấp xỉ tuổi thọ một transistor Planar. 2. IC tuyến tính với hồi tiếp âm Vi mạch tuyến tính là những mạch tổ hợp mà điện áp ra là một hàm liên tục đối với điện áp vào. Vi mạch tuyến tính còn được gọi là vi mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), vi mạch tương tự. Ký hiệu: Vi mạch tuyến tính có ký hiệu như hình 5.3 Hình 5.3: Ký hiệu của vi mạch tuyến tính Vi mạch tuyến tính có hai đầu vào và một đầu ra gồm: Đầu vào đảo (-): Tín hiệu vào và ra ngược pha nhau 180 độ Đầu vào thuận (+): Tín hiệu vào và ra cùng pha nhau Một mạch khuếch đại tuyến tính lý tưởng có những đặc tính sau: - Điện trở vào vô cùng lớn Rv = ∞ - Điên trở ra bằng không Rr = 0 104 - Hệ số khuếch đại vô cùng lớn Ku = ∞ - Dãi tần khuếch đại vô cùng lớn - Cân bằng một cách lý tưởng: Nếu Uv = 0 thì Ur = 0 Các thông số không bị biến đổi theo nhiệt độ và độ ẩm 2.1. Mạch khuếch đại không đảo Tín hiệu đưa vào đầu vào không đảo (+). Điện áp từ đầu ra đưa trở lại đầu vào đảo qua bộ chia thế gồm R1 và R2 (Hình 5.4). Tín hiệu vào và ra cùng pha nhau. Hình 5.4: Cách mắc thuận Xem mạch là lý tưởng và chứng minh tương tự như trên, ta có thể viết: Khi cho R2 >> R1 thì hệ số khuếch đại của hai trường hợp trên là giống nhau và bằng: R R KU 1 2 Tuy nhiên cách mắc đảo ổn định hơn vì có hồi tiếp âm. 2.2. Mạch khuếch đại đảo Tín hiệu được đưa vào đầu vào đảo (-). R2 là điện trở hồi tiếp (feedback), nó đưa một phần năng lượng từ đầu ra trở lại đầu vào. R1 là điện trở tín hiệu. Đầu vào thuận nối đất (Hình 1.14) Hình 5.5: Cách mắc đảo 105 Ta tìm hệ số khuếch đại điện áp của vi mạch: Từ sơ đồ nguyên lý ta có thể viết: I1 = U1 − Uv I2 = Uv − Ur R1 và R 2 Coi mạch là lý tưởng: Do đó ta có thể viết: U1 − Uv = Uv − Ur (1.2) R1 R2 Ngoài ra, xem hệ số khuếch đại là lý tưởng: K = ∞, Uv ~ 0 Do đó (1.2) trở thành: Vậy hệ số khuếch đại của mạch: Dấu trừ cho biết đầu vào và đầu ra ngược pha nhau. 2.3. Một số ứng dụng cơ bản. 2.3.1. Ứng dụng của Vi mạch thuật toán để thực hiện các phép tính cơ bản: Sơ đồ thực hiện các phép tính cơ bản: a/Sơ đồ thực hiện phép cộng: (Hình 5.6): Hình 5.6: Sơ đồ thực hiện phép cộng 106 Coi dòng vào bằng 0 ta có: I1+ I2 + I3 = If Mặt khác, khi Uv= 0 (Coi hệ số khuếch đại của mạch là lớn vô cùng), đẳng thức trên có thể viết: Hay : Ura = - (U1 + U2 + U3). Nghĩa là điện áp ra bằng tổng điện áp vào. b/Sơ đồ thực hiện phép trừ: (Hình 5.7): Tín hiệu được đưa vào cả hai lối vào đảo và thuận: Hình 5.7: Sơ đồ thực hiện phép trừ Áp dụng các công thức tính hệ số khuếch đại trong trường hợp mắc đảo và thuận, ta có: R R U R RR RR R UU xra 1 2 1 1 21 43 4 2     Nếu chọn R1 = R2, R3 = R4 thì đẳng thức trên trở thành: Ura = (U2 − U1) R4 R1 Nghĩa là điện áp ra tỷ lệ với hiệu điện áp vào. c/Sơ đồ lấy tích phân: (Hình 5.8): 107 Hình 5.8: Sơ đồ lấy tích phân Coi dòng vào bằng 0 ta có: I1 = If (1.3) Mặt khác coi Uv= 0 ta có: I1 = U1/R (1.4) Mà: If = −C dUra (1.5) dt Thay (1.3), (1.4) vào (1.5) ta có: U1 = −C dUra R dt 1 1 ∫ U1dt dUra = − U1dt ⇒ Ura = − CR CR d/Sơ đồ lấy vi phân: (Hình 5.9) Hình 5.9: Sơ đồ lấy vi phân 108 2.3.2. Ứng dụng vào các bộ khuếch đại Vi mạch thuật toán được sử dụng rộng rãi trong các mạch khuếch đại. a/Khuếch đại điện áp âm tần Vi mạch BA328 được dùng khá phổ biến để khuếch đại điện áp âm tần (Hình 5.10). BA328 thuộc loại khuếch đại hai kênh (stereo). Điện trở R1 R2 quyết định hệ số khuếch đại của Vi mạch. Thường ta giữ nguyên R2 chỉ thay đổi R1 để có hệ số khuếch đại theo ý muốn. Nếu ta tăng hệ số khuếch đại lên quá mức sẽ gây ra méo tín hiệu. Hình 5.10: Khuếch đại điện áp âm tần dùng vi mạch khuếch đại thuật toán BA328 R3 và tụ C tạo thành một vòng hồi tiếp âm điện áp để sửa đổi đường đặc trưng tần số. Thay đổi trị số của điện trở R3 ta có âm thanh lợi trầm hoặc lợi bổng theo ý muốn. R3 càng thấp, hồi tiếp âm càng sâu, mạch càng lợi trầm. Tín hiệu cần khuếch đại có biên độ rất bé được đưa vào chân 8. Tín hiệu sau khi khuếch đại được lấy ra ở chân 6. Điện áp cung cấp cho cả hai kênh được đưa vào chân 4 (+Vcc) và chân 5 (-Vcc). Chân 5 đồng thời cũng là đất của mạch. Nguồn cung cấp 9 VDC được lọc bằng R và C1. Do độ nhạy cao và tín hiệu đầu vào rất bé, ta phải dùng dây có giáp bọc để dẫn tín hiệu vào và ra nhằm loại bỏ nhiễu. 109 b/Khuếch đại công suất âm tần Để khuếch đại công suất âm tần ta có thể dùng vi mạch LA4440. Vi mạch LA4440 thuộc loại khuếch đại hai kênh, có sơ đồ khối như hình 5.11. Tuy nhiên vi mạch LA4440 có thể dùng để khuếch đại công suất âm tần một kênh. Khi khuếch đại hai kênh (stereo), công suất ra danh định 6W x 2. Khi sử dụng để khuếch đại một kênh (mono), công suất ra danh định lên đến gần 20 W. Nguồn cung cấp 12V đến 15V. Chân 1và chân 7: Đầu vào thứ hai của LA4440. Chân 2 và chân 6: Đầu vào của LA4440.Tín hiệu âm tần cần khuếch đại được đưa vào Chân 4: Đầu ra Mute Chân 5: lọc Ripple filter Chân 8, 14: Điểm mass của vi mạch Chân 9 và 13: Bảo vệ quá áp Chân 10 và 12: Đầu ra của vi mạch Chân 11: Nhận điện áp cung cấp + VCC Hình 5.11: Sơ đồ khối cấu trúc bên trong LA4440 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất hai kênh (Hình 5.12) 110 Hình 5.12: Khuếch đại công suất âm tần dùng vi mạch LA4440 mắc stereo Khi muốn LA4440 cho ta một công suất lớn ở loa, ta mắc theo sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất một kênh (Hình 1.23) Hình 5.13: Khuếch đại công suất âm tần dùng vi mạch LA4440 mắc mono 2.3.3. Bộ tạo sóng điện hình sin dùng vi mạch tuyến tính: a/Tạo sóng hình sin cao tần 111 Vi mạch thuật toán có thể làm bộ khuếch đại trong khâu khuếch đại của bộ tạo sóng hình sin cao tần hoặc âm tần. Hình 5.14 là mạch tạo sóng cao tần dùng vi mạch thuật toán BA328, BA328 là một loại vi mạch rất thông dụng, rất dễ kiếm trên thị trường, hoạt động rất tin cậy. Hình 5.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo sóng cao tần dùng vi mạch thuật toán Tác dụng của từng linh kiện: R1, R2,VR1 quyết định hệ số khuếch đại của vi mạch R3, C5 tạo thành mạch hồi tiếp âm chọn lọc để thực hiện việc hồi tiếp âm ở tần số cao. C2,C1 L tạo thành khung dao động Colpitts. C3 dẫn điện áp từ đầu ra (chân 3) của vi mạch, qua khung dao động Colpitts về đầu vào (chân 1) để thực hiện hồi tiếp. Hai điện áp này cùng pha nên hồi tiếp là hồi tiếp dương. R4 và C4 tạo thành bộ lọc điện cho nguồn cung cấp BA 328: Vi mạch thuật toán, dùng để khuếch đại tín hiệu. Điện áp cung cấp 9VDC Hoạt động của sơ đồ: 112 Bộ tạo sóng cao tần trên thuộc loại 3 điểm điện dung. Khi đóng mạch điện, khung dao động hoạt động và tạo ra dao động hình sin có tần số xác định bằng công thức: Dao động này là dao động tắt dần, nếu chúng ta không có biện pháp bù đắp năng lượng bị tiêu hao dưới tác dụng nhiệt của điện trở làm nên cuộn dây L. Trước khi tắt một phần năng lượng được đưa về đầu vào thuận của vi mạch BA328, vì điện áp hồi tiếp và điện áp tín hiệu cùng pha (mắc thuận) nên là hồi tiếp dương, đảm bảo điều kiện duy trì dao động. Hệ số hồi tiếp quyết định bởi tỷ số C1 và C2 Điện áp hồi tiếp được điều chỉnh bởi VR2 nhằm bảo đảm điều kiện Kβ = 1. Khi điều kiện này được đáp ứng, sóng điện tạo ra có dạng hình sin rất đều đặn và đẹp. Mạch hoạt động ổn định. Để mạch khuếch đại chạy ổn định và khuếch đại trung thực, một mạch hồi tiếp âm chọn lọc gồm R3C5 được mắc vào hai chân 2 và 3 của vi mạch. Hồi tiếp âm càng sâu Vi mạch BA328 càng khuếch đại trung thực, tuy nhiên ta chỉ có thể thực hiện âm hồi ở một mức nào đó vì còn phải đảm bảo khâu dương hồi nhằm duy trì dao động. Dao động hình sin cao tần được lấy ra ở chân 3 là đầu ra của BA328. b/Tạo sóng hình sin âm tần: Hình 5.15 là sơ đồ nguyên lý bộ tạo sóng hình sin âm tần dùng vi mạch tuyến tính BA 328 trong khâu khuếch đại. Trong đó: BA 328: Vi mạch thuật toán, dùng để khuếch đại tín hiệu. R1,R2, VR, đèn báo: quyết định hệ số khuếch đại của vi mạch. R3, C1 tạo thành mạch hồi tiếp âm chọn lọc để thực hiện hồi tiếp âm ở tần số cao, R3 càng bé thì hồi tiếp âm càng sâu. Tuy nhiên, ta không thể tuỳ tiện hạ trị số của R3 vì phải bảo đảm khâu dương hồi để duy trì dao động. Hai cặp RC tạo thành cầu Wien. C2 dẫn điện áp hồi tiếp từ đầu ra của vi mạch thuật toán về đầu vào để thực hiện hồi tiếp dương. R5 và C5 cùng với tụ lọc nguồn tạo thành bộ lọc hình π để lọc điện. 113 Đèn báo tham gia khâu quyết định hệ số khuếch đại, thực hiện việc thay đổi hệ số khuếch đại của vi mạch BA328 một cách tự động nhằm ổn định biên độ sóng điện tạo ra. Mạch hoạt động như sau: Khi đóng mạch điện, cầu Wien sẽ tạo dao động âm tần có tần số quyết định bằng công thức: f0 = 1/2RC. Dao động sẽ tắt dần, tuy nhiên trước khi tắt nó được đưa vào đầu vào của BA328 qua tụ C2, dao động được BA328 khuếch đại lên sau đó đưa về cầu Wien để duy trì dao động. Sóng điện hình sin âm tần được lấy ra ở đầu ra của BA328. Khi dao động có biên độ lớn hơn thiết kế (xác định từ trước bởi hệ số khuếch đại của BA328), cường độ đi qua đèn báo lớn hơn, nhiệt độ tăng lên, điện trở của dây tóc đèn báo tăng theo làm giảm hệ số khuếch đại, biên độ sóng điện tạo ra giảm xuống. Ngược lại, khi dao động có biên độ nhỏ hơn thiết kế, cường độ đi qua đèn báo giảm xuống, nhiệt độ giảm, điện trở của nó giảm theo làm tăng hệ số khuếch đại, biên độ sóng điện ra tăng lên. Hình 5.15: Mạch tạo sóng âm tần dùng vi mạch thuật toán BA328 3.2. Các cổn logic cơ bản 3.2.1. Cổng AND 3.2.1.1. Cấu tạo, hình dáng, sơ đồ chân và bảng chân lý của các cổng AND 114 Hình 5.16: Cấu tạo cổng AND Hình 5.17: Ký hiệu và bảng chân lý Hình 5.18: Sơ đồ chân IC cổng logic AND 3.1.1.2. Nguyên lý hoạt động: - Cổng AND thực hiện toán nhân thông thường giữa 0 và 1 - Ngõ ra cổng AND bằng 0 khi có ít nhất một ngõ vào bằng 0 - Ngõ ra cổng AND bằng 1 khi tất cả các ngõ vào điều bằng 1 3.1.1.3. Lắp ráp và khảo sát: * Lắp ráp theo sơ đồ: * Khảo sát: - Mức 1 được cấp 5v - Mức 0 được nối mas (0v) - Cấp đầu vào mỗi cổng AND của IC7408 sau đó xác định đầu ra bằng cách quan sát led sáng hay không (Nếu sáng là mức 1, nếu tắt là mức 0) A B Led 1 Led 2 Led 3 Led 4 115 Cổng 1 0 0 Cổng 2 0 1 Cổng 3 1 0 Cổng 4 1 1 Hình 5.19: Sơ đồ khỏa sát IC cổng AND 3.2.2. Cổng OR 3.2.2.1. Cấu tạo, hình dáng, sơ đồ chân và bảng chân lý của các cổng OR Hình 5.20: Cấu tạo Hình 5.21: ký hiệu và bảng chân lý 116 Hình 5.22: Sơ đồ chân 3.2.2.2. Nguyên lý hoạt động: - Cổng OR thực hiện toán cộng thông thường giữa 0 và 1 - Ngõ ra cổng OR bằng 0 khi tất cả các ngõ vào bằng 0 - Ngõ ra cổng OR bằng 1 khi có ít nhất một ngõ vào bằng 1 3.2.2.3. Lắp ráp và khảo sát: * Lắp ráp theo sơ đồ: * Khảo sát: - Mức 1 được cấp 5v - Mức 0 được nối mas (0v) - Cấp đầu vào mỗi cổng OR của IC 7432 sau đó xác định đầu ra bằng cách quan sát led sáng hay không (Nếu sáng là mức 1, nếu tắt là mức 0) A B Led 1 Led 2 Led 3 Led 4 Cổng 1 0 0 Cổng 2 0 1 Cổng 3 1 0 Cổng 4 1 1 Hình 5.23: Sơ đồ khảo sát IC cổng OR 117 3.2.3. Cổng NOT 3.2.3.1. Cấu tạo, hình dáng, sơ đồ chân và bảng chân lý của các cổng OR Hình 5.24: Cấu tạo Hình 5.25: ký hiệu và bảng chân lý Hình 5.26: Sơ đồ chân IC cổng NOT 3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động: - Trạng thái ngõ vào và ngõ ra của cổng NOT luôn đối nhau 3.2.3.3. Lắp ráp và khảo sát: * Lắp ráp theo sơ đồ: * Khảo sát: - Mức 1 được cấp 5v 118 - Mức 0 được nối mas (0v) - Cấp đầu vào mỗi cổng NOT của IC7404 sau đó xác định đầu ra bằng cách quan sát led sáng hay không (Nếu sáng là mức 1, nếu tắt là mức 0) A Led 1 Led 2 Cổng 1 0 Cổng 2 1 Hình 5.27: Sơ đồ khảo sát IC cổng NOT 3.2.4. Cổng NAND 3.2.4.1. Cấu tạo, hình dáng, sơ đồ chân và bảng chân lý Hình 5.28: Cấu tạo 119 Hình 5.29: ký hiệu và bảng chân lý Hình 5.30: Sơ đồ chân IC cổng NAND 3.2.4.2. Nguyên lý hoạt động: - Cổng NAND là đảo trạng thái ngõ ra của cổng AND - Ngõ ra cổng NAND bằng 0 khi có tất cả các ngõ vào bằng 1 - Ngõ ra cổng AND bằng 1 khi có ít nhất một ngõ vào bằng 0 3.2.4.3. Lắp ráp và khảo sát: * Lắp ráp theo sơ đồ: * Khảo sát: - Mức 1 được cấp 5v - Mức 0 được nối mas (0v) - Cấp đầu vào mỗi cổng NAND của IC 7400 sau đó xác định đầu ra bằng cách quan sát led sáng hay không (Nếu sáng là mức 1, nếu tắt là mức 0) A B Led 1 Led 2 Led 3 Led 4 Cổng 1 0 0 Cổng 2 0 1 Cổng 3 1 0 Cổng 4 1 1 120 Hình 5.31: Sơ đồ khảo sát chân IC cổng NAND 3.2.5. Cổng NOR 3.2.5.1. Cấu tạo, hình dáng, sơ đồ chân và bảng chân lý Hình 5.32: Cấu tạo IC cổng NOR Hình 5.33: ký hiệu và bảng chân lý 121 Hình 5.34: Sơ đồ chân IC cổng NOR 3.2.5.2. Nguyên lý hoạt động: - Cổng NOR là đảo của cổng OR - Ngõ ra cổng NOR bằng 0 khi có ít nhất một ngõ vào bằng 1 - Ngõ ra cổng NOR bằng 1 khi tất cả các ngõ vào bằng 0 3.2.5.3. Lắp ráp và khảo sát: * Lắp ráp theo sơ đồ: * Khảo sát: - Mức 1 được cấp 5v - Mức 0 được nối mas (0v) - Cấp đầu vào mỗi cổng NOR của IC 7402 sau đó xác định đầu ra bằng cách quan sát led sáng hay không (Nếu sáng là mức 1, nếu tắt là mức 0) A B Led 1 Led 2 Led 3 Led 4 Cổng 1 0 0 Cổng 2 0 1 Cổng 3 1 0 Cổng 4 1 1 Hình 5.35: Sơ đồ khảo sát IC cổng NOR 122 CÂU HỎI ÔN TẬP Bài tập 1: Khảo sát cổng AND Bài tập 2: Khảo sát cổng NAND Bài tập 3: Khảo sát cổng NOT Bài tập 4: Khảo sát cổng OR Bài tập 5: Khảo sát cổng NOR 123 TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO [1] - Giáo trình linh kiện, mạch điện tử, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004 [2] - Sổ tay tra cứu linh kiện điện tử. [3] - Sổ tay tra cứu tranzito Nhật Bản. [4] - Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008. [5] - Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004 [6] - Võ Minh Chính, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008 [7] - Phạm Quốc Hải, Phân tích và giải mạch điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2002 [8] - Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007