Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 4 pps

KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng.

CHƯƠNG 4MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT)

I KHÁI NIỆM

Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện

áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không.

Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện

áp không phụ thuộc được cộng vào Mạch kẹp vận hành dịch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập Lượng dịch phụ thuộc vào dạng sóng hiện thời.

Có hai loại mạch kẹp chính: Mạch kẹp Diode và Transistor Dạng này ghim mức biên độ dương hoặc mức biên

độ âm, và cho phép ngõ ra mở rộng chỉ theo một hướng từ mức chuẩn Mạch kẹp khóa (đồng bộ), mạch này duy trì ngõ ra tại một số mức cố định cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và

lú c đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào

Trước khi hiểu sự hoạt động của mạch kẹp, đầu tiên cần phải hiểu kỹ những dạng mạch về sự hoạt động của một mạng đôi gồm điện trở và tụ điện (mạch RC).

Nguyên lý làm việc của các mạch ghim điện áp dựa trên việc ứng dụng hiện tượng thiên áp, bằng cách làm cho các hằng

số thời gian phóng và nạp của tụ trong mạch khác hẳn nhau.

II MẠCH KẸP DÙNG DIODE LÝ TƯỞNG

Loại mạch kẹp đơn giản sử dụng một Diode kết hợp với mạch RC Tụ C đóng vai trò là phần tử tích - phóng năng lượng điện trường, Diode D đóng vai trò là khóa điện tử , còn nguồn

DC tạo mức chuẩn.

Các giá trị R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian  = RC đủ lớn nhằm làm sụt áp qua tụ C không quá lớn hoặc tụ C không được xả điện nhanh.

Tụ nạp đầy và phóng điện hết trong thời gian 3 đến 5,

ở đây ta xét thời gian này là 5, các Diode được xem là lý tưởng.

1 Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không

Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là V m

Dạng mạch

Mạch này có chức năng cố định đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0 v Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm thì mất khả năng ghim đỉnh trên của tín hiệu vào ở mức không.

Giải thích nguyên lý hoạt động

= V m , Diode D dẫn, tụ C được nạp điện qua Diode (không qua

R, vì điện trở thuận của D rất nhỏ), cực âm của tụ tại điểm A, tụ nạp với hằng số thời gian là:

 n = C R d = 0  biên độ điện áp của tụ là v C = + V m (tụ nạp đầy tức thời), lúc này v r = v v - v c = V m - V m = 0

v v = - V m , Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ

DV

+ Vc+

R

Hình 4-1c

Thời hằng phóng điện là  f = C.R , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là v c = V m

+ Vdc

R

Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ max là V m Giả sử cho C = 0,1  F, V DC = 5 v , R = 1000 k  , V m

= 10(v)

Ta có f = 1KHz  T =

Bán kỳ có thời gian là

)(

5

0

T



Giải thích nguyên lý hoạt động:

10 v >V DC , Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian  = r d C  0, giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là:

Tacó V DC + V  + v c = v v

 v c = v v - V  - V DC = 10 – 5 = 5(v)

Do đó v r = V DC - V  = 5(v)

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, v v = - V m = -10 v , Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện là  f = C.R = 0,1.10 -6 10 6 = 0,1(s ) = 10 (ms) Vậy sau 5 thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này lớn gấp 20 lần thời gian từ t 1 đến t 2 (0,5ms), do vậy v c vẫn giữ mức điện áp là 5 v

Ta có v r = v R = v v - v c = -10 - 5 = -15v Nếu đảo cực tính của nguồn V DC thì đỉnh trên ghim ở mức điện

áp là -5(v).

3 Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Không

Dạng mạch

Mạch này có chức năng cố định đỉnh dưới của tín hiệu ở mức 0(v).

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , tồn tại xung dương, v v = + V m , Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là  n =

RC, vì R rất lớn nên  n rất lớn, do đó n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t 1 Do vậy tụ C gần như không được nạp v c = 0, do

đó v r = v v = + V m

dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, cực dương của tụ tại điểm

A, thời hằng nạp là  n = r d C  0, v c = V m (tụ nạp đầy ngay tức thời), lúc này v r = v v + v c = -V m +V m = 0.

+ V m , Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là  f

= C.R  f rất lớn so với bán kỳ từ t 2 đến t 3 , do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là V m Mạch tương đương của trường hợp này như sau:

4 Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ

Dạng mạch 1

Giải thích nguyên lý hoạt động

V DC < Vm , Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng

số thời gian  n = RC, do  n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến

t 1 , nên tụ C gần như không được nạp, v c = 0, như vậy v r = v v = + V m

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 ngõ vào tồn tại xung âm, v v = - V m , D dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là  n = r d C  0, tụ C nạp đầy tức thời, tụ nạp đầy đến giá trị là:

Ta có v c + v v = V DC - V   v c = V DC - v v = V DC + V m

Do đó v r = V DC + V  = V DC

= + V m , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian  f = C R  f >> so với bán kỳ từ t 2 đến t 3 do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp v c = V DC + V m trong khoảng thời gian này

- Mạch tương đương của trường hợp này là:

Hình 4-5a Hình 4-5b: Dạng sóng vào – ra

V z2 = 1/2V m

V 1 = 1/10 V m

V z2 + V  1 = (1/2 + 1/10)V m = 3/5V m

Giải thích nguyên lý hoạt động

D 1 và D 2 ngưng dẫn (do V A = + V m , V B = 0, D 1 và D 2 bị phân nghịch ), tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian  n = RC ,

do đó  n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t 1 , nên tụ C gần như không được nạp, v c = 0, v r = v v = + V m

này V B = + V m , do vậy D 1 hoạt động như Diode thường, D 2 hoạt động như Diode Zenner Tụ C được nạp qua D 1 và D 2 , điểm A

là cực dương của tụ, thời hằng nạp là  n = r d C  0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trị lớn nhất mà tụ có thể nạp được là:

v c = -v v + V Z2 + V  1 = V m + 3/5V m = 8/5 V m

Do đó v r = -( V Z2 + V  1 ) = -3/5V m

= + V m , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian  f = CR  f >> so với bán kỳ từ t 2 đến t 3 , do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp là v c = 8/5 V m

v r

R Rng

Trước khi đạt trạng thái xác lập, mạch có một giai đoạn quá độ Biên độ của nguồn vào, v ng , phải đủ lớn để làm tắt hay

mở Diode (Diode khi được phân cực thuận xem như một điện trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó cần nguồn vào đủ lớn để sau khi bỏ qua sụt áp trên các điện trở này vẫn còn tắt

mở được Diode).

Tín hiệu của nguồn vào có dạng xung, biên độ max là V m

Giải thích nguyên lý hoạt động

Diode dẫn, tụ C được nạp qua R ng và r d với thời hằng nạp của tụ

là  n = C.(R ng + r d )

Giả sử R ng và R >> r d

Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trị điện áp được nạp là v c = V m (1-e -t / n ), giá trị này tăng dần, do đó điện áp ra được lấy trên điện trở r d giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ.

Mạch tương đương ở trường hợp này như sau:

v r A

B

+ C

+ - Vng

r Rng

Ta có v AB = V m e -t/ n

n

t m ng d

d ng

d

d AB

R r

r R

r

r v

ng d

d

V

V R

d

R r

r



in

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 ngõ vào không tồn tại xung, v ng = 0, Diode ngưng dẫn (do điện áp trên tụ C phân cực ngược) Tụ C phóng điện qua R ng và R với hằng số thời gian là  f = C.(R+R ng ) Giá trị điện áp của tụ khi xả theo quy luật hàm mũ Khi đó, điện áp trên tụ giảm dần còn điện áp ở ngõ ra tăng dần.

Mạch tương đương ở trường hợp này là:

v r A

B

+ C

+

-Vng

R Rng

v c (t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch.

Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau:

v c (t) = V m e -t/ f

v AB = V m (1 - e -t/  f )

) 1

m ng

AB ng

R R

R v

R R

R R

R



Nhận xét:

Thời hằng phóng  f >  n , thời gian phóng điện hết của tụ rất chậm Do đó trong những bán kỳ âm điện áp của tụ giảm rất chậm, còn điện áp ngõ ra trên điện trở R tăng rất chậm

( gần như giữ cố định ở mức điện áp max là m).

ng

V R R

R



Ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ điện áp max giảm dần

ở những bán kỳ dương tiếp sau Giải thích: khi ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ max là , mà ta biết

r d là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó biên

độ max ở mỗi bán kỳ dương sau là giảm dần.

d ng

d m

r R

r v



5.2 Định Lý Mạch Kẹp

Khi truyền một tín hiệu điện áp có chu kỳ qua tụ phân cách, tụ sẽ giữ lại thành phần một chiều của tín hiệu, nghĩa là trong chế độ xác lập tụ điện được nạp điện đến mức mà làm cho điện áp trên tụ đúng bằng thành phần một chiều của tín hiệu vào Do đó nếu điện áp đầu vào là đối xứng, tức là có thành phần một chiều bằng 0, thì sau một chu kỳ tín hiệu vào điện áp trên tụ cũng bằng 0.

Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là

Trong thời gian nạp điện, qua tụ C sẽ có dòng nạp , do

đó điện tích trên tụ tăng lên một lượng Q n là.

d

t

t

r d

t

t

n n

r

s dt

v r

dt i

v R

dt R

v dt

i Q

t

t r t

t

r t

t

f f

R

s r

s Q

Q

d

f n

2 1

v r

Vng

-Hình 4-8a

Tín hiệu ngõ ra được sửa dạng, biên độ ngõ ra đảo pha

và lớn hơn biên độ ngõ vào.

Nếu biên độ của nguồn vào v ng đủ lớn để làm tắt mởû mối nối BE của Diode, lúc này thì sẽ hình thành mạch ghim ở cực nền.

Khi cực B có điện áp nguồn v ng cấp vào, thì mạch tương đương ở ngõ vào của Transistor như sau:

B B BE

v

+ Vcc

+ - Vng

D

+ C

R Rng

v ng có biên độ max là  V m Dạng sóng vào ra của mạch này hoàn toàn giống với hình 4- 6 b.

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm có xung dương đưa vào cực B, thì mối nối BE phân

cực thuận, tụ C nạp điện thông qua R ng và r dBE với thời hằng Khi diode dẫn tụ, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là  n =

C (R ng + r dBE ) Giá trị điện áp tụ được nạp theo quy luật hàm

mũ là:

v c = V m (1 - e -t/ n )

t m

ng d

dBE

R r

do đó ngõ ra ở cực C có dạng gai nhọn âm.

-Thời điểm có xung âm đưa vào cực B thì mối nối BE bị phân

cực nghịch, ta có mạch tương đương trong trường hợp này là

A

B

v c

B B v

+ Vcc

+ C

+ - Vng

R Rng

Tụ C xả điện qua R B và R ng với hằng số thời gian là  f = C(R B + R ng ) Điện áp của tụ ở quá trình này được tính như sau:

v c = V m e -t/ f

v AB = - v c + v ng = - V m e -t/ f - V m = - V m ( 1- e -t/ f ).

Với v ng = - V m

B ng

CC AB

R R

V

v i

CC AB

R R

V v

ng B

CC t

B ng

B m

R R

R

R V

e R

R

R

) 1

Hình4-8b: Dạng sóng vào ra

2 Mạch Kẹp Dùng Khóa CE Tải Là Tụ C

Khi ghép các tầng với nhau, thì ngõ vào của tầng sau tồn tại điện dung song song với tải của tầng trước, điện dung này xem như là tải của tầng trước.

Khảo sát dạng mạch CE như sau: Tụ C là điện dung của tầng sau

Transistor phải được phân cực phù hợp để hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt.

C B

r v

v v

Hình 4-9b: Dạng sóng vào ra

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , v v = V m , Transistor đang bão hòa v r =

V CEbh = 0,1(v)

I = I c =

0

I R

V V

C

CEsat CC





, lúc này tụ C không có dòng qua.

Trasistor tắt, tụ C nạp điện qua R c với hằng số thời gian là  n =

R c C (Thời gian nạp đầy chậm, do R c lớn).

Và ta có I C = I + i 1  1 I 0'

R

V

V i

C

CEsat CC

t t

v r

B C

+ V1

D1 +

V2 D2 Vcc

NPN C

R

R

vc1

Hình 4-10a Với V 1 < V 2

Hình 4-10b: Dạng sóng vào ra Khi v r1 < V 2 , D 2 dẫn và D 1 tắt, v r = v 2

Khi v 2 < V r 1 < v 1 , D 1 và D 2 ngưng dẫn, v r = v r1

Khi v r1 > V 1 , D 1 dẫn và D 2 tắt, v r = v 1

3 Mạch Kẹp Dùng Khóa CC, Tải Là Tụ C

Dạng mạch này mắc theo dạng C chung, tải là tụ C được mắc vào cực E của Transistor, tín hiệu ngõ ra ở cực E cùng pha với tín hiệu ngõ vào.

Cũng tương tự như mạch dùng khóa CE, phải phân cực cho Transistor hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt.

Dạng mạch

E

B

r v

R

Hình 4-11a Hình 4-11b: Dạng sóng vào ra

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , ngõ vào tồn tại xung dương, v v = V m , mối nối BE được phân cực thuận, Transistor hoạt động bão hòa, ta có V cc = V CEsat + V RE  V RE

Lúc này tụ C được nạp, có dòng nạp là i n , với hằng số thời gian là

 n = C r CEsat , giá trị điện áp của tụ được nạp là v c = V CC ( 1- e t/

n ), ta có v r = v c

Transistor ngưng dẫn, mạch tương đương lúc này là

E

+ Vcc

R

Tụ C phóng điện qua điện trở R E với thời hằng là  f =

R E C , thời gian này rất lớn nên tụ xả hết rất chậm Giá trị điện

áp của tụ phóng là v c = V CC e -t/ f , v r = v c

Vì  f >>  n nên sườn xuống bị méo dạng nhiều hơn sườn lên.

Để cải thiện nhược điểm này, người ta dùng hai Transistor mắc phụ nhau:

Dạng mạch

B

r v

Giải thích

của Q 1 phân cực thuận và Q 2 phân cực nghịch, nên Q 1 dẫn và

Q 2 ngưng dẫn, tụ C được nạp điện từ nguồn V cc thông qua mối nối CE của Q 1 , thời hằng nạp là  n = C.r CEsat Giá trị điện áp

mà tụ C nạp là: v c = V m ( 1- e -t/ n ), điện áp ngõ ra có giá trị là:

v r = v c = V m ( 1- e -t/ n ).

nối BE của Q 1 không được phân cực thuận, Q 1 tắt Khi đó BE của Q 2 được phân cực thuận bởi điện áp tích trữ trong tụ, Q 2 dẫn bão hòa Lúc này, tụ C phóng điện qua mối nối CE của Q 2 với thời hằng là  f = C.r Cesat

Giá trị điện áp do tụ C xả có dạng hàm mũ như sau: v c = V m e -t /  f

Nhận xét:

Dạng sóng ra ít phụ thuộc vào R t (nếu R t >> r CE )

rất nhanh, gần như là tức thới, do vậy sườn lên và sườn xuống ít bị méo dạng

Tóm lại, nhược điểm của mạch ghim điện áp là có thể được sử dụng chỉ khi giá trị điện áp ngõ vào phù hợp với mức chuẩn , là loại mạch cung cấp giá trị biên độ hoặc là tối thiểu hoặc là tối

đa