Điện áp vào một chiều: 12V; Điện áp ra xoay chiều: 220V, 50Hz
1. Nguồn một chiều 12V
1.1. Tổng quan về nguồn DC 12V
Một số loại nguồn một chiều
Dòng điện một chiều được ký hiệu là dịng DC (Direct Current). Có thể hiểu một cách đơn giản dòng điện một chiều là dòng điện chạy theo một hướng cố định. Cường độ của nó có thể tăng hoặc giảm nhưng khơng hề thay đổi chiều.
Chúng ta có thể bắt gặp điện một chiều trong các thiết bị như: pin, sạc điện thoại, bình ắc quy….. Đối với điện DC thì trên thiết bị chứa điện DC sẽ có ký hiệu âm (-) và dương (+). Ngồi ra, chúng ta cũng có nghe đến điện áp một chiều như: 12VDC, 24VDC, 48VDC….. Một số đặc tính của điện DC như:
• Cường độ dịng điện có thể tăng hoặc giảm nhưng khơng hề thay đổi chiều.
• Chiều dịng điện được quy ước đi từ dương sang âm.
33
1.2. Các cơng thức tính trong mạch điện DC.
➢ Tính cường độ dịng điện “I”
Cường độ dịng điện là điện tích di chuyển qua bề mặt nào đó trong một khoảng thời gian nhất định. Hiểu cách khác thì đó là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh, yếu của dòng điện. Đại lượng này ký hiệu là I và có đơn vị đo là Ampe (A).
• Cơng thức là : I = q/t
Trong đó:
I là cường độ dịng điện khơng đổi, đơn vị là A.
q chính là điện lượng đi qua tiết diện của vật dẫn, đơn vị là C. t là thời gian điện lượng đi qua tiết diện vật dẫn, đơn vị là s. Cơng thức tính cường độ dịng điện theo định luật Ơm là:
• Cơng thức là : I = U/R
34
Trong đó:
U là hiệu điện thế của dòng điện, đơn vị là V. R là điện trở của dòng điện, đơn vị là Ω.
Cơng thức tính cường độ dịng điện trong đoạn mạch định luật Ohm:
Đối với đoạn mạch nối tiếp: I = I1 = I2 = … = In Đối với đoạn mạch song song: I = I1 + I2 + … + In
2. IC tạo xung (LM555CM)
2.1. Tìm hiểu IC 555
IC 555 là một trong những dịng sản phẩm của cơng ty Signetics Corporation. với 2 dòng sản phẩm là SE555/NE555. IC 555 là một vi mạch dùng để tạo thời gian trễ (Time Delays) và tạo xung (Oscillation) với mức độ ổn định và tỷ lệ chính xác cao. Ở bài viết này, hãy cùng chúng tơi đi tìm hiểu sâu hơn về thơng số, sơ đồ nguyên lý, chức năng hoạt động và một số mạch ứng dụng của IC 555.
35
2.2. Cấu tạo và thông số kĩ thuật IC 555
Cấu tạo của 1 IC NE555 gồm có một bộ OP – AMP dùng để so sánh điện áp, 1 mạch lật và transistor giúp xả điện. Cấu tạo rất đơn giản nhưng nó được coi là một mạch tích hợp hoạt động rất tốt và có độ chính xác khá cao.
IC 555: Thông số, sơ đồ, nguyên lý hoạt động và một số mạch ứng dụng
Cấu tạo bên trong gồm có 3 điện trở được mắc nối tiếp để có thể chia điện áp nguồn (Vcc) thành 3 phần giúp tạo nên một điện áp chuẩn. Điện áp ⅓ Vcc sẽ được nối với chân dương của OP – AMP 1 và điện áp ⅔ Vcc còn lại sẽ được nối với chân âm của OP – AMP 2. Trong trường hợp khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn ⅓ Vcc thì chân S= và lúc này FF kích hoạt. Khi điện áp ở chân số 6 mà lớn hơn ⅔ Vcc thì chân R của FF= và FF sẽ được reset. Với đặc tính của Ic 555 thì chân cấp nguồn sẽ được hoạt động với dải điện áp từ 2.0 – 18V, cùng với đó là chuẩn đầu ra tương thích TTL khi được cấp nguồn 5V với dịng điện rút và ấp có thể lên đến 200mA.
Thông số chuẩn của IC 555 sẽ được liệt kê như sau: Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 – 18V; Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA;
36 Công suất tiêu thụ lớn nhất (Pmax): 600mW;
Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức 1): 0.5 – 15V; Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 0): 0.03 – 0.06V;
2.3. Chức năng của IC 555
Trong một số trường hợp khi điện áp mức ngưỡng (Threshold) và điện áp kích (Trigger) lần lượt là ⅔ và ⅓ so với điện áp nguồn Vcc. Với các mức độ điện áp này thì có thể sẽ bị thay đổi bằng chân điều khiển áp (CONT).
Sơ đồ chân của IC 555
Khi điện áp ở chân số 2 (TRIG) ở dưới mức kích thì mạch Flip – Flop sẽ ở trạng thái Set (mức 1) làm cho gõ ra (OUT) ở mức cao (mức 1). Khi điện áp ở chân TRIG của IC 555 ở trên mức kích và đồng thời chân ngưỡng (THRES – chân 6) ở trên mức ngưỡng thì tự động mạch Flip – Flop sẽ bị reset về mức 0 và từ đó sẽ làm cho đầu ra output xuống mức 0.
Ngoài ra, khi chân RESET (chân 4) xuống mức thấp thì mạch Flip – Flop cũng sẽ bị reset khiến cho đầu ra (OUT) xuống mức 0. Khi đầu ra ở mức 0 thì lúc này DISCH (chân 7) sẽ được nối với GND.
Các chức năng của IC 555 thường được sử dụng để tạo xung, điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí của xung (PPM) hay được sử dụng trong thu phát hồng ngoại.
37
Chức năng hoạt động của từng chân:
Chân 1 (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay còn được gọi là mass chung.
Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so với điện áp so sánh và được sử dụng giống như 1 chân chốt của một tần số áp. Mạch so sánh ở đây được sử dụng là các Transistor PNP với điện áp chuẩn là ⅔ Vcc.
Chân số 3 (OUTPUT): Đây là chân được lấy tín hiệu logic đầu ra. Trạng thái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1).
Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555. Khi chân 4 được nối với Mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0. Cịn khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp trên chân số 2 và chân số 6. Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc.
Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND.
Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào để so sánh điện áp và cũng được dùng như một chân chốt.
Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như một khóa điện tử và chịu tác động điều khiển từ tầng logic của chân 3. Khi đầu ra là chân OUTPUT ở mức 0 thì khóa này sẽ được đóng và ngược lại. Chân số 7 có nhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C.
Chân số 8 (Vcc): Đây chính là nguồn cấp cho IC 555 hoạt động. Chân 8 có thể được cung cấp với mức điện áp dao động từ 2 – 18V.
38
Phân tích nguyên lý hoạt động của IC 555
Ở trên mạch H đang ở mức 1 và gần bằng Vcc; L là mức 0. Sử dụng FF – RS.
Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q- = [0]. Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1], lúc này Transistor sẽ mở dẫn, cực C sẽ được nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá ngưỡng V2. Do lối ra của OP – AMP 2 lúc này đang ở mức 0, FF sẽ không được reset.
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.
Tụ C nạp điện áp từ 0V -> ⅓ Vcc:
Lúc này V+1(V+ OA1) > V-1. Do đó OA1 (ngõ ra của OA1) có mức logic 1(H).
39 R = 0, S = 1 –> Q = 1 /Q (Q đảo) = 0. Q = 1 –> Ngõ ra = 1.
/Q = 0 –> Transistor hồi tiếp lúc này không dẫn. (OA viết tắt: OP – AMP)
Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc -> ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0. V+2 < V-2. Do đó OA2 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, /Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0). Transistor lúc này vẫn không dẫn.
Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0. V+2 > V-2. Do đó OA2 = 1.
R = 1, S = 0 –> Q=0, /Q = 1.
Q = 1 –> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !
Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C.
Điện áp trên tụ C giảm xuống do do lúc này tụ C đang trong quá trình xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới ⅔ Vcc.
Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0. V+2 < V-2. Do đó OA2 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, /Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1). Transistor vẫn đang dẫn.
40 Tụ C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc: Lúc này V+1 > V-1. Do đó OA1 = 1. V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) . Do đó OA2 = 0. R = 0, S = 1 –> Q = 1, /Q (Q đảo) = 0. Q = 1 –> Ngõ ra = 1.
Q = 0 –> Transistor không dẫn -> chân 7 ở mức thấp và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là ⅓ Vcc.
3. Transistor (Tip41A)
3.1. Khái niệm Transistor
Transistor là gì ? Transistor hay cịn gọi là tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, chúng thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản tạo thành một cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động. Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ.
3.2. Cấu tạo của một transistor
Thơng thường thì một transistor sẽ bao gồm 3 lớp ghép lại với nhau tạo thành 2 mối tiếp giáp P – N. Nếu ta ghép theo thứ tự PNP ta sẽ có được
transistor thuận và tương tự nếu là NPN ta sẽ có transistor nghịch. Các bạn cũng có thể hình dung rằng transistor sẽ tương tự như 2 Diode được dấu ngược chiều với nhau. Cấu trúc này sẽ được gọi là Bipolar Junction
Transitor (tức BJT) bởi vì dịng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai
41
Ba lớp bán dẫn này sẽ được nối thành 3 cực, lớp giữa ta gọi là cực gốc và có ký hiệu là B (Base). Lớp B sẽ rất mỏng và có nồng độ tạp chất khá thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C. Vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên khơng hốn vị cho nhau được.
➢ Transistor NPN
Transistor NPN – Phân Cực Ngược
❖ Kí hiệu của Transistor NPN :
• Base ký hiệu là B hay cịn gọi là cực nền
• Emitter ký hiệu là E hay cịn gọi là cực Phát
• Collector ký hiệu là C hay còn gọi là cực Thu
Transistor NPN có 3 lớp N – P – N với cực B tương ứng với P nằm ở giữa còn E và C là hai cực nằm hai bên tương ứng với N.
42
Transistor NPN Đóng Ngắt Mạch
Để hiểu rõ hơn về mạch điều khiển chúng ta quan tâm tới các giá trị Ic, Ib, Ie (Trong đó : Ie = Ib+ Ic)
Để xem trạng thái hoạt động của transistor chúng ta làm như sau :
• Thay Ic thành một con LED
• Thay Ib bằng cơn tắc ON-OFF
• Ie nối đất
Khi cơng tắc OFF tức hở mạch đèn LED tắt ( OFF ). Khi cơng tắc ON tức đóng mạch thì đèn LED sáng ( ON )
Tóm lại cách hoạt động như trên thì Transistor hoạt động như một cơng tắc để đóng ngắt một trạng thái nào đó trong mạch điện tử.
43
Transistor NPN Khuếch Đại Tín Hiệu
Để sử dụng transistor làm mạch khuếch đại chúng ta xem hai sơ đồ trên hiểu rõ sự phân cực của Transitor như thế nào.
Phân cực là cách nói khi chúng ta cho một nguồn điện vào chân B qua điện trở – còn được gọi là trở phân cực. Cách làm này đưa transistor hoạt động và khuếch đại các tín hiệu đầu vào dù rất nhỏ.
Nếu khơng có điện trở Rđt này thì mạch có hoạt đơng hay khơng ?
• Trường hợp 1 : Hình thứ 1 khơng có điện trở Rđt
Tín hiệu đưa vào cần khuếch đại có biên độ từ 0-0.5V. Khi đưa vào chân B tín hiệu này khơng đủ để tạo ra dòng phân cực giữa B và E.
Lưu ý rằng : điện áp đi qua B và E phải lớn hơn 0.6V mới có dịng đi qua. Vì vậy, cũng khơng có dịng đi qua E và C
44
Điều này làm sụt áp trên Rg =0V nên điện áp ra tại chân C = Vcc
• Trường hợp 2 : Hình thứ 2 có thêm điện trở Rđt
Khi có điện trở Rđt phân cực làm xuất hiện dịng giữa B và E. Cho một tín hiệu vào chân B sẽ làm cho dòng giữa B và E tăng hoặc giảm.
Điều này làm cho dòng giữa C và E cũng tăng hoặc giảm theo => sụt áp trên Rg. Sự sụt áp trên Rg chính là tín hiệu chúng ta cần quan tâm và sử dụng để khuếch đại.
Kết quả là thu được một tín hiệu tương tự đầu vào nhưng có biên độ lớn hơn
4. Tụ lọc
4.1. Khái niệm
Tụ lọc nguồn là một trong những linh kiện điện tử thụ động thường được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử. Tụ lọc thường được sử dụng nhiều tại các bảng mạch lọc nguồn, mạch truyền tín hiệu xoay, lọc nhiễu…
45
4.2. Tác dụng của tụ lọc nguồn
Tụ lọc nguồn là một trong những linh kiện không thể thiếu trong các thiết bị điện tử. Ở mỗi vị trí mạch điện khác nhau tụ sẽ có cơng dụng nhất định ví dụ như lọc nhiễu, truyền dẫn tín hiệu, tạo dao động… Chính vì thế nếu khơng có các tụ lọc nguồn thì thiết bị điện tử sẽ khơng thể nào có được hoạt động theo đúng yêu cầu được đặt ra.
Ký hiệu của tụ điện
4.3. Cấu tạo tụ điện
Cấu tạo của tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.
46
Ứng dụng của tụ: Trong các bảng mạch, tụ nguồn có tác dụng cho điện hóa một chiều sau khi đã được chỉnh lưu bằng để có thể cung cấp đến tải tiêu thụ. Nếu thiếu đi tụ điện thì điện áp trên thiết bị thiếu sẽ khơng ổn định và không hoạt động được như mong muốn. Chính vì thế tụ điện dịng được xem là một chi tiết linh kiện rất quan trọng trong các bảng mạch điện tử.
Ngoài ra, tụ điện nguồn cũng sẽ cho người dùng những công năng khác nhau khi được gắn trên các thiết bị điện tử có cấu trúc và mục đích khác. Một số ứng dụng phổ biến của tụ lọc nguồn được ứng dụng thường trong cuộc sống gặp như:
• Tụ điện được sử dụng trong các chế tạo đặc biệt về vấn đề quân sự, ứng dụng của tụ điện dùng trong các máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân,…
• Ứng dụng trong hệ thống âm thanh xe hơi: tụ điện lưu trữ năng lượng cho bộ khuếch đại
• Tụ điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử.
• Tụ điện có thể để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng các ống điện tử
5. Điện trở
47
5.1. Khái niệm điện trở
Điện trở là một linh kiện điện tử có cơng dụng dễ hiểu nhất là để giảm dòng điện chảy trong mạch (hạn chế cường độ dòng điện). Đây cũng là câu trả lời cho nhiều người khơng biết resistor là gì. Trong tiếng Anh, resistor là điện trở. Khả năng giảm dòng điện của điện trở được gọi là điện trở suất và được đo bằng đơn vị ohms (đơn vị điện trở).
5.2. Cơng thức tính điện trở