Đồ án: thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM - Vương Kiến Hồng - 4 potx

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT LỚN KHIỂN CÔNG SUẤT LỚN Do đề tài này là mạch quang báo nên các ứng dụng của những linh kiện điện tử công suất lớn trên đ

Bảng trạng thái, chức năng các chân, cách truy xuất dữ liệu cũng như nạp trình của EPROM 27128 đều giống với EPROM 2764

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ĐIỀU

KHIỂN CÔNG SUẤT LỚN KHIỂN CÔNG SUẤT LỚN

Do đề tài này là mạch quang báo nên các ứng dụng của những linh kiện điện tử công suất lớn trên được giới thiệu ở đây chỉ xoay quanh vấn đề hiển thị các bảng đèn

Để đáp ứng cho các yêu cầu về hiển thị lớn như các bảng quang báo đặt ở quảng trường thì cần phải dùng đến các thiết bị điện tử công suất lớn Có nhiều loại linh kiện có thể dùng được như : SCR, các loại opto (bộ ghép quang), Solid State Relay…

I

I DIODE CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN SCR:DIODE CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN SCR:DIODE CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN SCR:

SCR (Silicon Control Rectifier) có cấu trúc 4 lớp P-N-P-N được chế tạo từ Silic SCR có 3 cực được ký hiệu như sau: A (Anode), K (Cathode), G (Gate: cổng)

SCR thường được dùng trong mạch khống chế điều khiển, chịu được công suất lớn, dòng điện lớn cũng như làm việc được ở nhiệt độ cao

Đặc tuyến Volt Đặc tuyến Volt Ampe của SCRAmpe của SCRAmpe của SCR

VAK0: điện áp cắt thuận

IH: dòng điện duy trì

IAK: dòng điện qua SCR

VAK: điện áp đặt trên hai cực SCR

Thông qua cực G để điều khiển tác dụng chỉnh lưu của SCR Chế độ làm việc của SCR có thể phân ra 3 trường hợp sau:

A

K

G A P N P N

G

K

VAK

IAK

IH Ig2> Ig1 Ig= 0

VAK0

1

1 Phân cưPhân cưPhân cực ngược:ïc ngược:ïc ngược:

Anode âm so với Cathode, SCR ngắt điện theo chiều ngược và chỉ có dòng điện rà rất nhỏ chạy qua vì có hai mặt tiếp giáp đều bị phân cực ngược

2

2 Phân cực thuận:Phân cực thuận:Phân cực thuận:

Anode dương so với Cathode nhưng không có tín hiệu điều khiển ở cực G, SCR ngắt điện theo chiều thuận và có tác dụng như một điện trở lớn, và chỉ có dòng điện rò rất nhỏ chạy qua vì có một mặt tiếp giáp bị phân cực ngược

Tuy nhiên, khi điện áp đặt trên SCR đạt đến giá trị điện áp cắt thuận (VAK0) thì SCR sẽ tự động dẫn điện mặc dù không có dòng điện kích Ig

3

3 Phân cực thuận đồng thời có tín hiệu điều khiển ở cực G:Phân cực thuận đồng thời có tín hiệu điều khiển ở cực G:Phân cực thuận đồng thời có tín hiệu điều khiển ở cực G:

Nếu có một xung phân cực thuận tác động vào giữa cực G và Cathode trong khi Anode dương so với Cathode thì SCR dẫn điện Thời gian chuyển từ ngắt sang dẫn nhanh (cỡ micro giây) Dòng điện chạy qua SCR chỉ bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài

do điện trở trong của SCR rất nhỏ (sụt áp trên A – K chỉ khoảng 1V) Xung dòng điện tác dụng vào cực G (Ig) càng lớn thì điện áp phân cực dương cho A-K cần thiết để mở thông SCR càng nhỏ, tức SCR càng dễ mở thông

Điều quan trọng là khi tín hiệu kích trên cực G đã mất thì SCR vẫn còn dẫn điện bằng dòng duy trì SCR chỉ bị ngắt hoàn toàn khi dòng qua SCR (IAK) thấp hơn giá trị dòng duy trì (thường có giá trị khoảng vài % giá trị của dòng thuận cực đại)

Trong những mạch cung cấp bằng điện xoay chiều (AC) thì SCR sẽ tự ngắt ở thời điểm điện áp = 0V, kéo dài suốt bán kỳ âm và chỉ có khả năng dẫn lại ở bán kỳ dương nếu có tín hiệu điều khiển đồng bộ đưa vào cực G Như vậy nó có tác dụng như một Diode chỉnh lưu

II

II BỘ GHÉP QUANG (OptoBỘ GHÉP QUANG (OptoBỘ GHÉP QUANG (Opto Couplers):Couplers):Couplers):

Để giữa mạch điều khiển và tải được cách li hoàn toàn về điện thì người ta thường dùng bộ ghép quang để thúc công suất do bộ ghép quang có điện thế cách li giữa sơ cấp và thứ cấp rất lớn (hàng KV) Có rất nhiều loại linh kiện ghép quang như: opto-transistor (phần tử điều khiển công suất là Transistor), opto-triac, opto-SCR… Tùy theo yêu cầu và chức năng của mạch mà ta có thể lựa chọn bộ ghép quang thích hợp

Ơû đây chỉ giới thiệu cơ bản về cơ chế hoạt động của loại opto-transistor, các loại khác cũng có cách hoạt động tương tự

Phần phát ở đây là một LED phát hồng ngoại, phần thu là một Phototransistor Đầu tiên, tín hiệu điện điều khiển đưa đến được phần phát trong bộ ghép quang và biến thành tín hiệu ánh sáng, sau đó tín hiệu ánh sáng này được phần nhận biến lại thành tín

hiệu điện để điều khiển tải Tín hiệu ánh sáng này thay thế cho dòng điều khiển Transistor (IB)

III

III SOLID STATE RELAY (RƠSOLID STATE RELAY (RƠSOLID STATE RELAY (RƠ LE BÁN DẪN):LE BÁN DẪN):LE BÁN DẪN):

Rơ-le bán dẫn là loại linh kiện bán dẫn hoạt động được với tín hiệu điện xoay chiều Loại linh kiện này thường được chế tạo với công suất lớn (dòng tải có thể chịu được lên đến hàng chục Ampe hoặc có thể lớn hơn)

Linh kiện này dược kết nối như sau để làm mạch điều khiển:

Ta nhận thấy rằng ở mạch trên, tải xoay chiều được điều khiển bằng nguồn một chiều (hoặc tín hiệu một chiều) thông qua linh kiện Solid State Relay Loại Rơ-le này làm việc ở tần số cao tốt hơn rất nhiều so với loại Rơ-le dùng cuộn dây điều khiển

Ta có thể sử dụng loại Rơ-le bán dẫn này thay thế các opto để thúc cho các bảng đèn có công suất lớn

+

-

~

Điều khiển

Tải xoay chiều Solid

State Relay

PHẦN III

PHẦN III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

CHƯƠNG 1: BỘ NGUỒN VÀ MẠCH AUTO RESET CHƯƠNG 1: BỘ NGUỒN VÀ MẠCH AUTO RESET

I

I BỘ NGUỒN:BỘ NGUỒN:BỘ NGUỒN:

Trong một mạch điện tử thì bộ nguồn là quan trọng nhất, nó quyết định sự hoạt động hay ngưng hoạt động của mạch Một bộ nguồn không tốt sẽ làm cho mạch hoạt động không ổn định và sẽ làm hỏng linh kiện một cách nhanh chóng (điều này rất thường xảy ra đối với những mạch điện tử không được ổn áp tốt mà phải hoạt động ở những vùng có lưới điện không ổn định) Đối với các IC số thuộc họ TTL thì điều này luôn luôn đúng Vì vậy một bộ nguồn ổn áp tốt thì rất cần thiết cho các mạch điện tử (thường là các mạch dùng IC số) Nhưng trước khi đi vào thiết kế bộ nguồn ổn áp, ta hãy tìm hiểu sơ bộ về chức năng cũng như nguyên tắc hoạt động chung của các mạch nguồn ổn áp DC

Chức năng của mọi ổn áp DC là biến đổi điện áp vào DC chưa ổn định thành điện áp ra DC ổn định và giá trị điện áp này phải đúng với giá trị khi tính toán lý thuyết Điện áp ra này phải được duy trì liên tục và không được thay đổi khi điện áp ngõ vào hoặc dòng tải thay đổi (ở một giới hạn cho phép của mạch) Để thực hiện được việc này thì một mạch ổn áp thường gồm có các phần sau đây:

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MỘT ỔN ÁP CƠ BẢN

- Phần tử chuẩn (REF: Reference): cung cấp một mức điện áp ổn định biết trước (VREF)

- Phần tử lấy mẫu:lấy điện áp ngõ ra để làm mẫu

- Phần tử khuếch đại sai biệt: so sánh mẫu điện áp ra với mức chuẩn và tạo ra tín hiệu sai biệt

PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

PHẦN TỬ LẤY MẪU

R

E

F

KHUẾCH ĐẠI SAI BIỆT

Điện áp hồi tiếp

Điện áp vào

Điện áp

ra

PHẦN TỬ CHUẨ

N

VREF

- Phần tử điều khiển công suất:biến đổi điện áp vào thàn múc điện áp ra mong muốn khi điều kiện tải thay đổi Khối này được điều khiển bằng tín hiệu sai biệt từ bộ khuếch đại sai biệt đưa đến

Có 2 loại ổn áp cơ bản là: ổn áp liên tục và ổn áp xung Ổn áp liên tục được chia ra làm hai loại nữa là ổn áp nối tiếp và ổn áp song song Tuy mạch điện thật sự của các loại ổn áp này khác nhau nhưng về cơ bản đều phải có đủ cả bốn thành phần trong sơ đồ khối trên Sau đây là các sơ đồ khối của các loại ổn áp cơ bản trên

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp nối tiếp:

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp nối tiếp:

Tên gọi ổn áp nối tiếp là do phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải (phần tử điều khiển thường là một Transistor có chức năng như một biến trở, ở đây ký hiệu là

RS) Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: giả sử điện áp ngõ vào bị sụt áp thì tại thời điểm tức thời (ngay lúc vừa sụt áp) điện áp ngõ ra cũng bị sụt theo Điện áp sụt này (điện áp mẫu) được phản ánh đến bộ khuếch đại sai biệt nhờ cặp điện trở lấy mẫu

R1, R2 Khối khuếch đại sai biệt sẽ so sánh điện áp mẫu này với điện áp chuẩn từ khối REF (Reference) đưa đến và sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển đến cực B của Transistor, điều chỉnh lại điện áp phân cực của nó (cụ thể là làm Transistor dẫn mạnh hơn) Giải thích tương tự cho trường hợp tăng áp ở ngõ vào

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp song song:

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp song song:

REF

RS

VI

R1

R2

VO

R1

R2

RSHUNT

REF

Tên gọi ổn áp song song cũng do phần tử điều khiển mắc song song với tải Nguyên lý hoạt động của mạch cũng được giải thích tương tự như mạch ổn áp nối tiếp Sự thay đổi điện áp vào sẽ làm điện áp ngõ ra cũng thay đổi theo tại thời điểm tức thời, cặp điện trở lấy mẫu R1, R2 sẽ truyền sự thay đổi này về bộ khuếch đại sai biệt Bộ khuếch đại sai biệt cũng so sánh điện áp chuẩn với điện áp mẫu này và sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển tương ứng làm cho điện áp ra ổn định trở lại

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp xung:

* Sơ đồ khối của mạch ổn áp xung:

Ổn áp xung dùng một khóa tích cực để làm phần tử điều khiển Khóa này được dùng để ngắt điện áp vào theo một chu kỳ làm việc thay đổi theo các yêu cầu của tải Một bộ lọc (thường là lọc LC) dùng lấy trung bình điện áp hiện diện ở ngõ vào của nó và đưa điện áp đó đến tải ra Do Transistor điều khiển hoặc mở (dẫn bão hòa) hoặc tắt nên công suất tiêu tán ở phần tử điều khiển sẽ tối thiểu Vì lẽ đó, ổn áp xung hưũ hiệu hơn ổn áp nối tiếp hoặc song song Do nguyên nhân này, ổn áp xung đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng có sai biệt điện áp vào ra lớn hay các yêu cầu dòng tải lớn

Sự biến đổi chu kỳ nhiệm vụ thường đạt được bằng cách duy trì một tần sốkhông đổi và thay đổi thời gian tắt mở Phương pháp này được gọi là biến điệu độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) Một kỹ thuật khác là duy trì thời gian mở không đổi và thay đổi thời gian tắt (thay đổi tần số)

Tất cả các loại ổn áp trên đều có thể ráp được từ các linh kiện rời như Transistor, Op-Amp,… hoặc từ các mạch tích hợp sẵn Tuy nhiên, để mạch điện đơn giản nên ở đây dùng IC ổn áp (các mạch ổn áp được tích hợp sẵn)

Có nhiều loại IC ổn áp, trong đó loại IC ổn áp 3 chân thường được sử dụng rộng rãi vì chúng nhỏ và chỉ cần một số ít linh kiện bên ngoài IC ổn áp 3 chân đặc biệt có lợi cho việc thiết kế các bộ nguồn nhỏ ổn định hay các ổn áp trên các card

IC ổn áp 3 chân loại có điện áp ra cố định (không điều chỉnh được) có hai loại là ổn áp dương và ổn áp âm Có nhiều họ IC ổn áp nhưng ở đây ta chỉ xét đến họ 78xx tương ứng với IC ổn áp dương, hai số sau chỉ điện áp ra cố định của nó, cụ thể là 7805: ổn áp dương có điện áp ngõ ra là 5V, 7812: có điện áp ra là 12V… Tùy theo dòng điện

ở ngõ ra, người ta thêm chữ để chỉ, thí dụ:

REF

OSC

R1

R2

78xx: dòng điện ra danh định là 1A

78Hxx: dòng điện ra danh định là 5A

Chú ý: 78L62: ổn áp 6,2V

Sau đây là một mạch ổn áp có điện áp ngõ ra cố định 5V sử dụng IC ổn áp 7805 (ổn áp dương có điện áp ngõ ra là 5V, dòng điện ngõ ra đến 1A)

Các tụ 0,33 µF và 0,1 µF dùng chống nhiễu và cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp Các tụ này đặt càng gần chân IC càng tốt

Phần tử tiêu thụ công suất chủ yếu của mạch này là bảng đèn (các IC số cũng tiêu thụ công suất nhưng không đáng kể), do dùng phương pháp quét nên tại mỗi thời điểm chỉ có một cột LED được phép sáng Theo tính toán, nếu cả 7 LED trong cột cùng sáng thì dòng điện tức thời khoảng 2,7A nhưng dòng trung bình chỉ khoảng hơn 80mA (theo như kết quả tính toán của phần thiết kế mạch thúc công suất)

IC ổn áp 7805 chịu được dòng ngõ ra đến 1A nên bảo đảm cung cấp đủ dòng cho toàn mạch mà bản thân nó không bị quá dòng Tuy nhiên, ta cũng cần gắn tản nhiệt cho IC để nó hoạt động ở điều kiện tốt nhất

II

II MẠCH AUTO RESET:MẠCH AUTO RESET:MẠCH AUTO RESET:

Mạch Auto Reset thường dùng để xác định trạng thái đầu tiên của mạch ngay khi vừa cấp nguồn để mạch luôn hoạt động đúng như yêu cầu thiết kế Có hai loại mạch Auto Reset là reset ở mức cao và ở mức thấp (tùy vào mức logic ở chân reset của các IC IC 4060 và 4040 sử dụng trong mạch đều có chân reset tác động ở mức logic cao nên ở đây chỉ giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch Auto Reset ở mức cao Nguyên tắc hoạt động của mạch Auto Reset mức thấp cũng tương tự nên không cần thiết phải giải thích lại Sau đây là hai dạng mạch Auto Reset thường gặp (một mạch tác động ở mức cao, mạch còn lại tác động mức thấp):

VI

7805 VO

3

7805

1 3 2

SƠ ĐỒ CHÂN IC

7805

Giải thích và tính toán các thông số (chỉ với mạch Auto Reset tác động ở mức cao): khi vừa cấp nguồn, điện áp trên tụ = 0V nên ngõ ra đưa đến chân reset ở mức cao, tác động làm các IC không hoạt động được Sau đó điện áp trên tụ tăng lên và chân reset của IC được đưa xuống mức thấp, IC được phép hoạt động Hoặc khi mạch đang hoạt động, ta nhấn nút S làm tụ phóng hết điện (do bị nối tắt), lúc này áp trên tụ = 0V nên ngõ ra của nó tác động tiếp làm IC ngưng hoạt động IC chỉ hoạt động trở lại khi nút nhấn S được thả ra và tụ nạp đến một giá trị nào đó để chân reset của IC không còn

bị tác động

Tính toán các thông số của mạch: do nguồn cung cấp cho toàn mạch là 5V nên các IC thuộc họ CMOS sẽ hiểu mức logic cao khi điện áp ở các chân ngõ vào là 3,5V, mức thấp là 1V Do đó, để IC thoát khỏi trạng thái reset (mức cao) thì điện áp ở chân reset (điện áp trên R) phải ≤ 1V

Ta có: VCC = 5V = VC + VR = VC + 1V ⇒ VC = 4V

mặt khác ta có phương trình nạp của tụ là: VC = VCC(1-e-t/τ ) = 4V

với t: thời gian để tụ nạp đầy (đạt đến giá trị VC ≥ 4V)

τ = RC: thời hằng nạp của tụ

e-t/τ =1 – 4/5 = 0,2 ⇒ t/τ = 1,6 chọn t = 10 ms ⇒ τ = 6,25 ms chọn C = 4,7 µF ⇒ R = 1,33KΩ , chọn R = 1,2KΩ Tính lại thời gian nạp đầy của tụ với R =1,2KΩ

τ = RC = 1,2.103.4,7.10-6 = 5,64 ms

⇒ t = 1,6.5,64 ≈ 9 ms

Vậy sau khi vừa cấp điện hoặc nút nhấn S vừa thôi tác động trong một khoảng thời gian là 9 ms thì IC mới được phép hoạt động

S C

R

D

Mạch Auto Reset tác động ở

mức cao

Đưa đến chân Reset

Mạch Auto Reset tác động ở

mức thấp

C

D R Đưa đến chân Reset

của IC