Bài giảng kỹ thuật điện tử phần 1

Các hệ thống điện tử điển hình Hệ thống điện tử là một tập hợp các thiết bị điện tử nhằm thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật nhất định như gia công xử lý tin tức, truyền thông tin dữ liệu,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2020

TS HOÀNG SƠN - ThS ĐINH HẢI LĨNH

Kü THUËT §IÖN Tö

TS HOÀNG SƠN, ThS ĐINH HẢI LĨNH

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2020

i

MỤC LỤC

Mục lục i

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình v

Lời nói đầu 1

Chương 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2

1.1 Tin tức và tín hiệu 3

1.2 Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian 4

1.3 Các hệ thống điện tử điển hình 5

1.3.1 Hệ thống thông tin thu - phát 5

1.3.2 Hệ đo lường điện tử 6

1.4 Các đại lượng cơ bản 6

1.4.1 Điện áp và dòng điện 6

1.4.2 Nguồn điện 7

1.5 Một số định luật cơ bản 8

1.5.1 Định luật Ohm 8

1.5.2 Định luật Kirchhoff 8

Câu hỏi và bài tập chương 1 10

Chương 2 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 11

2.1 Điện trở (Resistor) 11

2.1.1 Khái niệm 11

2.1.2 Các tham số đặc trưng của điện trở 11

2.1.3 Phân loại và ứng dụng của điện trở 12

2.1.4 Cấu tạo điện trở 12

2.1.5 Cách đọc giá trị điện trở 14

2.2 Tụ điện (Capacitor) 15

2.2.1 Khái niệm 15

2.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện 16

2.2.3 Phân loại, cấu tạo, đặc tính của tụ điện 17

2.2.4 Cách đọc giá trị tụ điện 20

2.2.5 Ứng dụng 21

ii

2.3 Cuộn cảm (Inductor) 21

2.3.1 Khái niệm 21

2.3.2 Các tham số 22

2.3.3 Phân loại 23

2.3.4 Cách đọc giá trị cuộn cảm 23

2.4 Biến áp (Transformer) 24

2.4.1 Khái niệm 24

2.4.2 Cấu tạo 24

2.4.3 Các thông số kỹ thuật của máy biến áp 25

2.4.4 Một số loại máy biến áp thường gặp 28

2.4.5 Ký hiệu một số máy biến áp 29

Câu hỏi và bài tập chương 2 30

Chương 3 DIODE 31

3.1 Chất bán dẫn 31

3.1.1 Khái niệm 31

3.1.2 Mặt ghép P-N 32

3.1.3 Đặc tuyến V-A của tiếp xúc P-N 35

3.2 Diode bán dẫn 36

3.2.1 Cấu tạo, hoạt động của diode 36

3.2.2 Đặc tuyến V-A của diode 36

3.2.3 Các tham số của diode 37

3.2.4 Các loại diode 38

3.3 Một số mạch ứng dụng của diode 43

3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 43

3.3.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 44

3.3.3 Mạch chỉnh lưu cầu 46

3.3.4 Mạch nhân đôi áp 48

3.3.5 Các mạch hạn chế biên độ (mạch ghim) 48

3.3.6 Ổn định điện áp bằng diode Zener (diode ổn áp) 51

Câu hỏi và bài tập chương 3 53

Chương 4 TRANSISTOR 57

4.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến và tham số của transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar Junction Transistor) 57

iii

4.1.1 Cấu tạo BJT 57

4.1.2 Nguyên lý làm việc của BJT 57

4.1.3 Tham số của transistor 59

4.1.4 Cách mắc transistor và tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ 60

4.1.5 Các họ đặc tuyến tĩnh của transistor 61

4.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor và họ đặc tuyến 62

4.2.1 Sơ đồ emitơ chung (EC) 62

4.2.2 Sơ đồ bazơ chung (BC) 64

4.2.3 Mạch colectơ chung (CC) 66

4.3 Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh 68

4.3.1 Xác định đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh 68

4.3.2 Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi 71

4.4 Các phương pháp phân cực cho transistor 71

4.4.1 Phân cực transistor bằng dòng cố định 71

4.4.2 Phân cực transistor bằng điện áp phản hồi 72

4.4.3 Phương pháp tự phân cực (Phân cực bằng dòng emitơ) 73

4.5 Transistor trường (FET - Field Effect Transistor) 74

4.5.1 Transistor có cực cửa tiếp giáp JFET (Junction gate Field - Effect Transistor) 75

4.5.2 Transistor có cực cửa cách li MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) 78

4.5.3 Đặc điểm của transistor trường 80

Câu hỏi và bài tập chương 4 81

Chương 5 MẠCH KHUẾCH ĐẠI 86

5.1 Những vấn đề chung 86

5.1.1 Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại 86

5.1.2 Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại 87

5.1.3 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại 88

5.1.4 Hồi tiếp trong khuếch đại 90

5.2 Mạch khuếch đại dùng transistor BJT 92

5.2.1 Tầng khuếch đại EC 92

5.2.2 Tầng khuếch đại CC 98

5.2.3 Tầng khuếch đại BC 100

iv

5.3 Ghép tầng giữa các tầng khuếch đại 101

5.3.1 Ghép tầng bằng điện dung 102

5.3.2 Ghép tầng bằng biến áp 103

5.4 Khuếch đại thuật toán (Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán) 105

5.4.1 Khái niệm chung 105

5.4.2 Đặc tuyến truyền đạt 106

5.4.3 Các giả thiết lý tưởng 107

5.4.4 Các hệ quả 107

5.4.5 Các mạch ứng dụng của khuếch đại thuật toán 107

Câu hỏi và bài tập chương 5 115

Chương 6 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N 119

6.1 Thyristor 119

6.1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của Thyristor 119

6.1.2 Đặc tuyến V-A của Thyristor 121

6.1.3 Các thông số cơ bản của Thyristor 122

6.1.4 Một số ứng dụng của Thyristor 122

6.2 Triac 124

6.2.1 Đặc điểm cấu tạo và làm việc của Triac 124

6.2.2 Ứng dụng 125

6.3 Điac 126

6.3.1 Đặc điểm cấu tạo và làm việc của Điac 126

6.3.2 Các tham số đặc trưng của Điac 128

6.3.3 Ứng dụng của Điac 128

Câu hỏi ôn tập chương 6 129

Phụ lục A Một số mạch điện tử ứng dụng 130

Phụ lục B Giới thiệu một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử 132

Tài liệu tham khảo 142

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các giá trị màu của điện trở 14

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tín hiệu tuần hoàn 4

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng 5

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống đo lường 6

Hình 1.4 Ký hiệu nguồn áp 7

Hình 1.5 Nguồn dòng 8

Hình 1.6 Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1 8

Hình 1.7 Hình minh họa định luật Kirchhoff 2 9

Hình 2.1 Ký hiệu điện trở trong mạch điện 11

Hình 2.2 Điện trở than 13

Hình 2.3 Kết cấu và ký hiệu của chiết áp, biến trở 13

Hình 2.4 Hình dạng các chiết áp 13

Hình 2.5 Ký hiệu các loại tụ điện trong mạch điện 16

Hình 2.6 Hình ảnh tụ giấy 18

Hình 2.7 Hình ảnh tụ mica 18

Hình 2.8 Hình ảnh tụ gốm 19

Hình 2.9 Cấu tạo tụ xoay 20

Hình 2.10 Hình ảnh cuộn cảm 22

Hình 2.11 Ký hiệu các loại cuộn cảm trong mạch điện 22

Hình 2.12 Hình ảnh máy biến áp công suất nhỏ 24

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy biến áp một pha 26

Hình 2.14 Ký hiệu một số máy biến áp trong mạch điện 29

Hình 3.1 Sự hình thành vùng nghèo ở mặt ghép P-N 32

Hình 3.2 Mặt ghép P-N khi phân cực thuận 33

Hình 3.3 Mặt ghép P-N khi phân cực ngược 34

Hình 3.4 Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN 35

Hình 3.5 Các kiểu ký hiệu diode trong mạch điện 36

vi

Hình 3.6 Đặc tuyến Von-ampe của diode bán dẫn 36

Hình 3.7 Ký hiệu và đặc tính V-A của diode Zener 38

Hình 3.8 Ký hiệu của diode biến dung 39

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa điện dung và điện áp ngược 40

Hình 3.10 Ký hiệu và đặc tuyến của diode ổn dòng 40

Hình 3.11 Cấu tạo và ký hiệu của diode Schottky 41

Hình 3.12 Cấu tạo diode PIN 41

Hình 3.13 Ký hiệu và đặc tuyến V-A của diode Tunel 42

Hình 3.14 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ 43

Hình 3.15 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 44

Hình 3.16 Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu cầu 46

Hình 3.17 Sơ đồ mạch nhân đôi điện áp 48

Hình 3.18 Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp 49

Hình 3.19 Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp trên mức E 49

Hình 3.20 Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp dưới mức E 50

Hình 3.21 Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp 50

Hình 3.22 Kí hiệu, đặc tuyến V-A và sơ đồ ứng dụng diode Zener 51

Hình 4.1 Mô hình lý tưởng hóa và kí hiệu của transistor pnp (a) và npn (b) 57

Hình 4.2 Sơ đồ phân cực của transistor NPN (a) và PNP (b) 58

Hình 4.3 Phương pháp mắc transistor trong thực tế 60

Hình 4.4 Transistor như một mạng bốn cực 60

Hình 4.5 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc EC 62

Hình 4.6 Họ đặc tuyến vào của transistor khi mắc EC 62

Hình 4.7 Đặc tuyến truyền đạt (a) và đặc tuyến ra (b) của transistor trong cách mắc EC đối với transistor NPN 63

Hình 4.8 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc BC 64

Hình 4.9 Đặc tuyến vào của transistor khi mắc BC 65

Hình 4.10 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor mắc BC 65

Hình 4.11 Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc CC 66

Hình 4.12 Đặc tuyến vàocủa transistor khi mắc BC 67

Hình 4.13 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor khi mắc BC 68

Hình 4.14 Xây dựng đường tải tĩnh 68

Hình 4.15 Chọn điểm công tác tĩnh 70

vii

Hình 4.16 Sơ đồ phân cực dòng cố định 72

Hình 4.17 Sơ đồ phân cực bằng điện áp phản hồi 72

Hình 4.18 Sơ đồ tự phân cực 73

Hình 4.19 Hình ảnh các loại transistor trường 74

Hình 4.20 Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu JFET 75

Hình 4.21 Họ đặc tuyến ra của JFET 76

Hình 4.22 Họ đặc tuyến truyền đạt của JFET 77

Hình 4.23 Cấu tạo của MOSFET 78

Hình 4.24 Ký hiệu quy ước của MOSFET 79

Hình 4.25 Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt MOSFET 80

Hình 5.1 Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại 86

Hình 5.2 Sơ đồ một tầng khuếch đại dùng BJT 86

Hình 5.3 Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp tại mạch ra 87

Hình 5.4 Sơ đồ mạch khuếch đại transistor kiểu EC và đặc tuyến ra 88

Hình 5.5 Dạng tín hiệu vào, ra của KĐ khi ở chế độ A 89

Hình 5.6 Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp 91

Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại EC 93

Hình 5.8 Xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại EC 93

Hình 5.9 Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại EC 95

Hình 5.10 Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại EC 97

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại CC 98

Hình 5.12 Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại CC 99

Hình 5.13 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại BC 100

Hình 5.14 Sơ đồ biến đổi tương đương và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại BC 100

Hình 5.15 Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại nhiều tầng 102

Hình 5.16 Sơ đồ bộ khuếch đại ghép tầng bằng điện dung 102

Hình 5.17 Sơ đồ bộ khuếch đại ghép bằng biến áp 103

Hình 5.18 Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv = 0 và biểu đồ tín hiệu ra 104

Hình 5.19 Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv1 > 0, uv2 = 0 và biểu đồ tín hiệu ra 104

Hình 5.20 Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ điện tử 105

Hình 5.21 Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán μA741 106

Hình 5.22 Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại thuật toán 106

viii

Hình 5.23 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo 107

Hình 5.24 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo 108

Hình 5.25 Sơ đồ mạch khuếch đại cộng đảo 109

Hình 5.26 Sơ đồ mạch khuếch đại cộng không đảo 110

Hình 5.27 Sơ đồ mạch khuếch đại trừ 111

Hình 5.28 Sơ đồ mạch tích phân 113

Hình 5.29 Sơ đồ mạch vi phân 114

Hình 6.1 Cấu trúc 4 lớp p-n, sơ đồ tương đương và kí hiệu của Thyristo 119

Hình 6.2 Đặc tuyến V-A của Thyristor 121

Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu không chế kiểu pha xung 122

Hình 6.4 Giản đồ điện áp mạch chỉnh lưu không chế kiểu pha xung 123

Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý Mạch biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều dùng hai Thyristo 123

Hình 6.6 Giản đồ điện áp mạch biến đổi điện áp xoay chiều 124

Hình 6.7 Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu Triac 124

Hình 6.8 Đặc tuyến V-A của Triac 125

Hình 6.9 Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ 125

Hình 6.10 Giản đồ điện áp mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ 126

Hình 6.11 Cấu tạo, kí hiệu của Điac 127

Hình 6.12 Đặc tuyến V-A của Điac 127

1

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điện tử là môn học dành cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử cơ bản, IC thuật toán; hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách kiểm tra, lựa chọn các linh kiện; thiết kế các mạch điện tử ứng dụng đơn giản

Để phù hợp với mục tiêu đào tạo và điều kiện học tập của sinh viên, bài giảng được biên soạn bao gồm có 6 chương:

Chương 1: Một số khái niệm cơ bản;

Chương 2: Các linh kiện điện tử cơ bản;

viên học tập môn học Kỹ thuật điện tử

Bài giảng lần đầu tiên được biên soạn, trong quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận được các ý kiến đóng góp, xây dựng

để bài giảng được hoàn chỉnh hơn

Nhóm tác giả

2

3

Chương 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Tin tức và tín hiệu

Tin tức (information) là nội dung của một quá trình, một hiện tượng hay một

sự kiện

Trong đời sống hàng ngày chúng ta thường truyền đi tiếng nói, hình ảnh hay

âm nhạc, gọi chung là tin tức Để có thể truyền tin tức qua các hệ thống điện tử, người ta thường biến đổi chúng thành điện áp hoặc dòng điện, biến thiên tỷ lệ với lượng tin tức nguyên thủy Ta gọi đó là tín hiệu

Tín hiệu (signal) là sự biểu diễn vật lý của tin tức Các khái niệm về tín hiệu

xuất hiện trong nhiều lĩnh vực Những ý tưởng và các vấn đề kỹ thuật có liên quan tới các khái niệm về tín hiệu đóng một vai trò quan trọng không chỉ trong lĩnh vực thông tin mà trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau, như hàng không, khí tượng, năng lượng, xử lý tín hiệu hay xử lý hình ảnh…

Về mặt toán học có thể coi tín hiệu là một hàm của một hay nhiều biến độc lập Hàm số này có thể là một hàm đơn giản hay phức tạp Chẳng hạn như tín hiệu tiếng nói có thể được biểu diễn như một hàm ánh sáng của hai biến không gian I (x,y)

Tín hiệu có thể được phân theo dạng tuần hoàn hoặc không tuần hoàn; tín hiệu

liên tục theo thời gian gọi là tín hiệu tương tự (Analog), tín hiệu gián đoạn theo thời gian gọi tín hiệu số (Digital)

Ví dụ: Xét một tín hiệu được biển diễn trên hình 1.1 có biểu thức toán học

như sau:

x(t) = x(t + mT) Trong đó: m là số nguyên; T là một hằng số, giá trị nhỏ nhất của T được gọi là chu kỳ

Như vậy, cứ sau một khoảng thời gian nhất định, tín hiệu x(t) lặp lại như trước Tín hiệu và tần số f của tín hiệu tuần hoàn được xác định theo công thức:

T

f  1

Một tín hiệu không tuần hoàn, dạng bất kỳ, có thể coi như là tín hiệu tuần hoàn

có chu kỳ T → ∞

4

Hình 1.1 Tín hiệu tuần hoàn 1.2 Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian

 Độ dài tín hiệu

Khi biểu diễn tín hiệu theo thời gian, khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu kể

từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc được gọi là độ dài tín hiệu Nếu tín hiệu là tuần hoàn, độ dài được tính tương ứng với thời gian tồn tại tín hiệu trong một chu kỳ

0

)(

1)(

t

t

dt t x t

x

 Năng lượng của tín hiệu

Thông thường tín hiệu x(t) là tín hiệu dòng điện hoặc điện áp qua một điện trở

R Năng lượng của tín hiệu x(t) được định nghĩa là:

1t 2

t

dt t x R E

Hiện nay, các quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện chủ yếu qua các hệ thống điện tử Do vậy, trong thực tế các tín hiệu phi điện trước hết cần phải được biến đổi thành các tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi hoặc cảm biến để có thể đưa vào hệ thống điện tử xử lý Ví dụ: Biến đổi âm thanh, chúng ta có thể dùng microphone Tín hiệu điện là tín hiệu chứa dòng điện, điện từ trường biến đổi theo thời gian

và không gian với các tham số xác định Tín hiệu điện thường được sử dụng dưới dạng điện áp, dòng điện hay sóng điện từ

5

1.3 Các hệ thống điện tử điển hình

Hệ thống điện tử là một tập hợp các thiết bị điện tử nhằm thực hiện một nhiệm

vụ kỹ thuật nhất định như gia công xử lý tin tức, truyền thông tin dữ liệu, đo lường thông số điều khiển tự chỉnh…

Về cấu trúc một hệ thống điện tử có hai dạng cơ bản: Dạng hệ kín ở đó thông tin được gia công xử lý theo cả hai chiều nhằm đạt tới một điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở ở đó thông tin chỉ được truyền theo một hướng từ nguồn tin tới nguồn nhận tin

1.3.1 Hệ thống thông tin thu - phát

Hệ thống thông tin thu - phát có nhiệm vụ truyền một tin tức dữ liệu theo không gian (trên một khoảng cách nhất định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin

a) Cấu trúc sơ đồ khối

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng

b) Các đặc điểm chủ yếu

- Hệ thống thông tin thu - phát là dạng hệ thống hở

- Hệ thống bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình điều chế và quá trình dải điều chế

- Quá trình gắn tin tức cần gửi đi vào một tải tin tần số cao bằng cách bắt dao động tải tin có một thông số biến thiên theo quy luật của tin tức gọi là quá trình điều chế tại thiết bị phát

- Quá trình tách tin tức ra khỏi tải tin để lấy lại nội dung tin tức tần số thấp tại thiết bị thu gọi là quá trình dải điều chế

6

1.3.2 Hệ đo lường điện tử

Hệ loại này có nhiệm vụ thu thập tin tức dữ liệu về một đối tượng hay quá trình nào đó để đánh giá thông số hoặc trạng thái của chúng Cấu trúc sơ đồ khối như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống đo lường

Hệ thống đo lường nói chung có các đặc điểm cơ bản sau:

+ Có hai phương pháp cơ bản thực hiện quá trình đo: phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc;

+ Bộ biến đổi đầu vào là quan trọng nhất, có nhiệm vụ biết đổi thông số đại lượng đầu cần đo (thường ở dạng đại lượng vật lý) về dạng tín hiệu điện tử có tham

số tỷ lệ với đại lượng cần đo (Ví dụ: Áp suất biến đổi thành điện áp, nhiệt độ hoặc

độ ẩm hay vận tốc biến đổi; thành điện áp hoặc dòng điện );

+ Sự can thiệp của bất kỳ thiết bị đo nào vào đối tượng đo dẫn đến hệ quả là đối tượng đo không còn đứng độc lập và do đó xảy ra quá trình mất thông tin tự nhiên dẫn đến sai số đo;

+ Mọi cố gắng nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo đều là tăng tính phức tạp; tăng chi phí kỹ thuật và làm xuất hiện các nguyên nhân gây sai số mới và đôi khi làm giảm độ tin cậy của phép đo;

+ Về nguyên tắc có thể thực hiện gia công tin tức đó liên tục theo thời gian (phương pháp analog) hay gia công rời rạc theo thời gian (phương pháp digital) Yếu tố này quy định các đặc điểm kỹ thuật và cấu trúc: Cụ thể là ở phương pháp analog; đại lượng đo được theo dõi liên tục theo thời gian còn ở phương pháp digital đại lượng đo được lấy mẫu giá trị ở những thời điểm xác định và so mới các mức cường độ chuẩn xác định Phương pháp digital cho phép tiết kiệm năng lượng, nâng cao độ chính xác và khả năng phối ghép với các thiết bị xử lý tin tức tự động

1.4 Các đại lượng cơ bản

1.4.1 Điện áp và dòng điện

a) Dòng điện

Dòng điện (Electrical Current) là dòng chuyển đổi có hướng của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện

Ví dụ: Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là những linh kiện thụ động Một trong những linh kiện tích cực quan trọng nhất trong mạch điện là nguồn dòng hay nguồn

áp Nguồn điện có thể tạo ra và cung cấp năng lượng điện đến các phần tử trong mạch điện

a) Nguồn điện áp

Nguồn điện áp là thông số của mạch điện đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì trên hai cực của nguồn điện một điện áp có giá trị không phụ thuộc vào dòng điện mà nguồn cung cấp

Nguồn áp được ký hiệu như trên hình 1.4 và được biểu diễn bởi một sức điện động e(t)

Chiều của sức điện động e(t) là từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao, chiều của điện áp u(t) là từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, do

đó u(t) = e(t)

Hình 1.4 Ký hiệu nguồn áp

8

b) Nguồn dòng điện

Nguồn dòng điện là thông số của mạch điện đặc

trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một dòng điện

cung cấp cho mạch ngoài có cường độ dòng điện

không phụ thuộc vào điện áp giữa hai cực của nguồn

Nguồn dòng được ký hiệu như trên hình 1.5

j(t) = i(t)

Hình 1.5 Nguồn dòng 1.5 Một số định luật cơ bản

Để phân tích mạch điện tử, người ta thường dựa vào các định luật cơ bản như: định luật Ohm và định luật Kirchhoff

1.5.1 Định luật Ohm

U = I.R Điện áp trên điện trở R tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó

Quy ước: Dòng đi vào nút thì mang dấu dương (+);

Dòng đi ra khỏi nút thì mang dấy âm (-)

Ví dụ: Xét một nút trên mạch điện như hình vẽ 1.6

Hình 1.6 Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1

Tại nút K trên hình 1.6 theo định luật K1 ta có: i1 - i2 - i3 = 0

i1 = i2 + i3

9

Nghĩa là tổng các dòng điện đi vào nút bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút

Định luật K1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì có bấy nhiêu điện tích rời khỏi nút

Ví dụ: Viết định luật K2 cho các vòng I và II trên hình 1.7

Hình 1.7 Hình minh họa định luật Kirchhoff 2

Đối với vòng I: u1 – u2 + u’2 – u’1 = 0

Đối với vòng II: u1 – u3 + u’3 – u’1 = 0

Trong đó u’1, u’2, và u’3 lần lượt là điện áp trên hai cực của các nguồn s.đ.đ e1,

Trong đó: up là điện áp rơi trên các phần tử không phải là nguồn sđđ

Định luật K2 có thể được phát biểu như sau:

Đi theo một vòng khép kín theo một chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi của vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm

10

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Phân biệt tin tức và tín hiệu; tín hiệu số và tín hiệu tương tự?

2 Các đại lượng cơ bản của mạch điện?

3 Các hệ thống điện tử điển hình?

4 Nội dung và ý nghĩa của hai định luật Kirchhoff?

Bài 1.1 Tìm các dòng điện trong mạch điện như hình BT1.1 khi chuyển mạch

ở vị trí 1 và khi chuyển mạch ở vị trí 2

Hình BT1.1 Bài 1.2 Tìm dòng điện và điện áp và công suất tiêu thụ trên điện trở 4Ω trong

mạch điện hình BT1.2

Hình BT1.2

11

Chương 2 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Các linh kiện trong một mạch điện tử thường bao gồm các điện trở (Resistor),

tụ điện (Capacitor), cuộn cảm (Inductor), diode bán dẫn (Semiconductor Diode), transistor bán dẫn, các vi mạch IC (Integrated Circuits) và các linh kiện khác Các linh kiện nêu trên là các linh kiện thông dụng, chiếm đa số các linh kiện trong máy Chương này trình bày các vấn đề cơ bản của các linh kiện điện tử thụ động gồm điện trở, tụ điện, cuộn cảm

Ký hiệu trong mạch điện:

Hình 2.1 Ký hiệu điện trở trong mạch điện

Đơn vị đo điện trở là Ohm (Ω)

Theo định luật Ohm, trong chế độ tĩnh, điện trở có thể được tính theo công thức:

R = V/I Trong đó: V là điện áp; I là dòng điện chạy qua điện trở

2.1.2 Các tham số đặc trưng của điện trở

- Trị số điện trở và dung sai:

+ Trị số điện trở là tham số cơ bản, yêu cầu phải ổn định, phụ thuộc vào tính chất dẫn điện và kích thước của vật liệu chế tạo ra điện trở;

+ Dung sai: Là sai số của điện trở

12

- Công suất tiêu tán cho phép: Là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được

)(

2

R

U I R

Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pttmax là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được, nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng chảy và không dùng được nữa

- Hệ số nhiệt điện trở: Biểu thị sự thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ môi trường

6

1.10

R TCR

2.1.3 Phân loại và ứng dụng của điện trở

a Phân loại điện trở

Điện trở có thể được phân loại theo nhiều cách Thông dụng nhất là chia điện trở thành hai loại:

- Điện trở cố định;

- Điện trở có trị số thay đổi (biến trở)

Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay hoặc kiểu trượt

2.1.4 Cấu tạo điện trở

- Điện trở thông thường (không dây quấn) thường làm bằng than hay các chất đặc biệt khác có tính dẫn điện kém Các vật liệu này bao bọc bên ngoài một lõi bằng

sứ, hoặc lớp bọc bị xẻ theo đường rãnh xoắn ốc xung quanh lõi (điện trở mặt), hoặc

bé, công suất tiêu thụ lớn nhưng có nhược điểm là bị giới hạn về tần số do điện cảm

và điện dung tạp lớn

- Điện trở kiểu chiết áp dây quấn: Cấu tạo tương tự như điện trở dây quấn nhưng biến đổi được Con chạy bằng kim loại nối với trục trượt hoặc trục quay và trượt trên các vòng dây Chiết áp dây quấn có giá trị thay đổi trong khoảng (1 ÷ 200) kΩ, công suất khoảng (3 ÷ 5) W Chiết áp dây quấn thường được dùng trong các mạch công suất lớn

Hình 2.3 Kết cấu và ký hiệu của chiết áp, biến trở

Hình 2.4 Hình dạng các chiết áp

14

- Điện trở kiểu chiết áp than hỗn hợp: Lớp vật liệu hỗn hợp được phủ lên trên tấm hình móng ngựa, hai đầu có phủ một lớp bạc nối với chân ra Chiết áp than hay hỗn hợp có phạm vi biến đổi giá trị trong khoảng (10 Ω ÷ 10 MΩ), công suất khoảng (0,1 ÷ 2) W Chiết áp điện trở biến đổi tuyến tính Điện trở kiểu chiết áp lagarit dùng trong các bộ lọc hoặc điều chỉnh âm sắc trong các máy thu

Điện trở kiểu chiết áp hàm mũ dùng để điều chỉnh âm lượng

2.1.5 Cách đọc giá trị điện trở

Cách đọc trị số của điện trở tùy thuộc vào cách biểu thị trị số điện trở

2.1.5.1 Biểu thị trị số điện trở bằng số và chữ

Thường ghi các chữ R, K, M Chữ R ứng với đơn vị Ω, chữ K ứng với đơn vị

kΩ, chữ M ứng với đơn vị MΩ Vị trí của chữ thể hiện chữ số thập phân, giá trị của

số thể hiện giá trị điện trở

2.1.5.2 Biểu thị trị số điện trở bằng các vòng màu

Giá trị điện trở được thể hiện bằng các màu sắc như trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các giá trị màu của điện trở Màu Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Tím Xám Trắng

Số mũ 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Sai số Nhũ Vàng: 5% Nhũ Bạc: 10%

+ Tiết diện vòng cuối cùng là lớn nhất;

+ Vòng 1 không bao giờ là nhũ vàng, nhũ bạc

Ví dụ: Điện trở có 4 vòng màu lần lượt là cam - trắng - đỏ - nhũ vàng sẽ có trị số: 39 x 102 Ω ± 5%

2.2 Tụ điện (Capacitor)

2.2.1 Khái niệm

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo ra bởi hai bề mặt bán dẫn được ngăn cách bởi chất điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt xuất hiện điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu trên hai bề mặt của tụ điện

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng của

tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt của tụ là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch xoay chiều

16

Cấu tạo chung của tụ gồm hai bản cực làm bằng kim loại đặt song song và cách điện bằng một lớp điện môi Từ hai bản cực nối với hai dây dẫn ra ngoài làm hai chân tụ, toàn bộ đặt trong vỏ bảo vệ

Ký hiệu của tụ trong mạch điện:

Hình 2.5 Ký hiệu các loại tụ điện trong mạch điện

Để đặc trưng cho khả năng phóng nạp điện tích của tụ người ta đưa ra khái niệm điện dung C Đơn vị đo điện dung là Fara (F) Ngoài ra các ước số thường dùng của điện dung là μF; nF; pF…

Dòng điện i chạy trên mạch qua tụ có quan hệ với điện áp U trên hai bản

cực là:

dt

dU C

i 

2.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện

Mỗi loại tụ điện đều có các tham số kỹ thuật để giúp ta lựa chọn và sử dụng tụ điện trong các mạch điện tử một cách thích hợp nhất Tụ điện gồm có các tham số chính sau:

2.2.2.1 Trị số điện dung và dung sai

- Trị số điện dung C: Được tính theo tỷ số giữa điện tích hữu dụng của bản cực với khoảng cách giữa hai bản cực

d

S

C  r0

(F) Trong đó:

C: Là điện dung của tụ điện (F);

r

 : Là hằng số điện môi của chất điện môi;

0

 : Là hằng số điện môi của không khí hay chân không;

S: Là diện tích hiệu dụng của một bản kim loại;

d: Là khoảng cách giữa hai bản cực (m)

17

- Dung sai của tụ điện: Đây là tham số chỉ độ sai lệch của trị số điện dung thực

tế so với trị số danh định được ghi trên thân của nó

% 100

dđ

dđ n

2.2.2.3 Tổn hao

Tụ điện lý tưởng mắc trong mạch xoay chiều năng lượng không bị mất mát Nhưng trong thực tế, một phần năng lượng bị tổn hao trong chất điện môi và trên các bản cực

2.2.2.4 Điện trở cách điện

Tính chất và kích thước của lớp điện môi quyết định điện trở cách điện của tụ điện Đối với tụ hóa, điện trở cách điện được biểu thị bằng dòng rò

2.2.2.5 Hệ số nhiệt của tụ điện

Khi nhiệt độ xung quanh biến đổi sẽ làm cho kích thước của các bản, khoảng cách giữa các bản và cả hệ số điện môi thay đổi, nên điện dung sẽ biến đổi Sự biến thiên tương đối của điện dung khi nhiệt độ thay đổi 10C gọi là hệ số nhiệt của

tụ điện

2.2.2.6 Điện cảm tạp tán

Điện cảm tạp tán phụ thuộc vào kích thước của các bản và các đầu nối Để công tác ổn định, tần số công tác lớn nhất phải nhỏ hơn tần số cộng hưởng của tụ điện khi tính tới điện cảm tạp tán của nó (hình thành một khung cộng hưởng LC)

2.2.3 Phân loại, cấu tạo, đặc tính của tụ điện

2.2.3.1 Tụ có giá trị cố định

- Tụ giấy:

18

+ Cấu tạo: Chất cách điện trong tụ giấy làm bằng loại giấy mỏng cách điện không thấm nước, còn đầu ra làm bằng các lá kim loại rất mỏng;

+ Đặc tính: Đối với tụ giấy có điện dung nhỏ hơn 0,1 μF, điện trở cách điện

ít nhất là 5.000 MΩ; còn tụ giấy có điện dung lớn hơn 0,1 μF, điện trở cách điện nhỏ hơn

Tụ giấy dùng để phân đường, ngăn, nối tầng, lọc trong những điện tần số thấp

ổn định hơn loại tráng một lớp bạc

Hình 2.7 Hình ảnh tụ mica

+ Đặc tính: Tụ mica có tổn hao rất bé và điện trở các điện cao (khoảng 10.000 MΩ) nên được dùng chủ yếu trong các mạch cao tần, các phần tử cách ly trong các máy radio

- Tụ gốm:

+ Cấu tạo: Gồm một miếng gốm nhỏ hình trụ hoặc có hình giống khuy áo, hai mặt được tráng bạc, cách điện với nhau tạo thành hai má của tụ điện (chất điện môi

là gốm);

19

+ Đặc tính: Kích thước nhỏ, điện áp làm việc cao Tụ gốm hình đĩa có trị số điện dung nhỏ từ 1 pF ÷ 1 μF Tụ gốm kích thước nhỏ dùng trong các mạch thông thường hiện nay có điện áp làm việc cực đại cho phép là 50 V

Hình 2.8 Hình ảnh tụ gốm

- Tụ hóa:

+ Cấu tạo: Các điện cực làm bằng nhôm tinh khiết, độ dầy của điện cực khoảng 0,075 ÷ 0,13 mm, để tăng diện tích hiệu dụng có thể dùng hóa chất ăn mòn làm thay đổi độ dày của hai bản cực Lớp điện môi là Al2O3 bám trên cực dương dày khoảng vài μm, có khả năng chịu được điện áp cao khoảng 800 kV/mm Giữa hai bản cực là chất điện phân Nếu chất điện phân ướt gọi là tụ hóa ướt Nếu chất điện phân khô gọi là tụ hóa khô Chất điện phân có nhiệm vụ tiếp tục tạo lớp Al2O3

trong quá trình làm việc Tụ hóa ướt có trị số lớn và điện áp làm việc lớn hơn tụ hóa khô nhưng kích thước lớn hơn Tuổi thọ tụ thông thường khoảng 5.000 ÷ 10.000 giờ

và độ tin cậy thấp hơn tụ thường;

+ Đặc tính: Tụ hóa có trị số điện dung rất lớn, so với các tụ khác thường đạt từ 0,1 μF đến vài nghìn μF (Ví dụ như tụ 4.700 μF) Chất điện môi dùng trong tụ hóa thường là hợp chất hóa học như ôxít nhôm (Al2O3) hoặc ôxít tantan (Ta2O5) Đặc điểm của chất điện môi này là có tính chất dẫn điện không đổi, nghĩa là khi đặt điện

áp một chiều lên tụ thì tụ có một chiều điện trở rất cao và một chiều điện trở rất nhỏ,

do đó phải phân cực + và cực - Các cực này được ghi trên thân tụ Khi lắp tụ vào trong mạch phải chú ý cực tính của tụ;

+ Căn cứ vào vật liệu làm điện cực: tụ hóa nhôm và tụ hóa tantan;

+ Căn cứ vào chất điện phân: tụ hóa khô và tụ hóa ướt

2.2.3.2 Tụ có giá trị thay đổi

- Tụ biến đổi (tụ xoay): Tụ xoay là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung,

tụ này thường được lắp trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài

20

Tụ xoay là một hệ thống gồm các má động và các má tĩnh được xen kẽ với nhau Các má động có thể xoay quanh một trục để thay đổi S dẫn đến thay đổi giá trị C Chất điện môi có thể là chất khí, mica, thạch anh

Hình 2.9 Cấu tạo tụ xoay

Khi C = Cmax: Hai nhóm má tĩnh và động hoàn toàn đối diện nhau: S = Smax Khi C = Cmin: Hai nhóm má tĩnh và động hoàn toàn lệch nhau: S = Smin

- Tụ tinh chỉnh: Có nhiều loại tụ tinh chỉnh

+ Tụ tinh chỉnh bằng sứ: Có kích thước nhỏ, các chỉ tiêu về điện cao

+ Tụ tinh chỉnh có lò xo: Gồm hai bản cực kim loại, giữa hai bản là một chất điện môi Một bản cố định, còn một bản có thể đàn hồi được Khi ta vặn đinh ốc thì bản đàn hồi sẽ gần lại hoặc cách xa bản cố định, do đó điện dung có thể biến đổi được Loại này không ổn định nhưng đơn giản

+ Tụ chỉnh tinh nhỏ: Có điện môi là không khí, chỉ tiêu chất lượng cao nhưng cấu tạo phức tạp Tụ này dùng để điều chỉnh chính xác điện dung, mắc phụ thêm vào các mạch dao động hay các mạch cần điều chỉnh để có một điện dung thật chính xác

2.2.4 Cách đọc giá trị tụ điện

Cách đọc giá trị của tụ điện tùy thuộc vào cách biểu diễn trị số tụ điện

2.2.4.1 Ghi bằng số và chữ

- Ghi bằng số và chữ: Chữ K, Z, J, π ứng với đơn vị pF; chữ n, H ứng với đơn

vị nF; chữ M, m ứng với đơn vị μF Vị trí của chữ thể hiện chữ số thập phân, giá trị của số thể hiện giá trị tụ điện

Ví dụ: 2H7J = 2,7 nF ± 5% (Chữ cái cuối cùng thể hiện sai số)

- Ghi bằng các con số không kèm theo chữ:

2.2.4.2 Ghi bằng quy luật màu

Khi tụ điện được biểu diễn theo các vạch màu thì giá trị các vạch màu cũng giống như trên điện trở, đơn vị tính của nó là pF

Riêng đối với tụ phân cực thì cực tính của nó được ghi trên thân tụ

2.2.5 Ứng dụng

Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử

- Cho điện áp xoay chiều đi qua và ngăn điện áp một chiều lại, đo đó tụ điện được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có chênh lệch về điện áp một chiều

- Lọc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng phẳng Đó là nguyên lý của tụ lọc nguồn

- Với điện xoay chiều thì tụ dẫn điện còn đối với điện một chiều thì tụ lại trở thành tụ lọc (phần tử hở mạch)

- Ký hiệu cuộn cảm trong mạch điện

Hình 2.11 Ký hiệu các loại cuộn cảm trong mạch điện

L1 là lõi không khí; L2 là lõi Ferit; L3 là lõi điều chỉnh được;

Trong đó: S: Là tiết diện của cuộn dây; N: Là số vòng dây; l: Là chiều dài của

cuộn dây; µr: Là độ từ thẩm của vật liệu lõi sắt từ (H/m); 0: Là độ từ thẩm của

không khí (H/m)

2.3.2.2 Hệ số phẩm chất của cuộn dây

Để tính hệ số phẩm chất của cuộn dây ta xem xét đến sự tổn thất của cuộn dây khi có dòng điện chạy qua Một cuộn dây thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn