Đồ án điện tử công suất

Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu đủ lớn cho máy thu..  Khối tiền khuyếch đại âm tần: Tầng này có tác dụng khuyếch đại tín hiệu vào đến mức cầ

PHỤ LỤC PHẦN I CHƯƠNG I: MÁY PHÁT

1.1.Sơ đồ khối của hệ thống điện tử thông tin

1.2.Định nghĩa và phân loại:

CHƯƠNG II: MÁY THU FM

2.1 Định nghĩa máy thu:

2.2.Máy thu đổi tần FM:

CHƯƠNG III: CÁC MẠCH THƯỜNG DÙNG TRONG MÁY PHÁT FM

3.1.Mạch tạo dao động

3.1.1 Các vấn đề chung về mạch tạo dao động

3.1.2 Mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương

3.1.2.1 Điều kiện để mạch tạo dao động

3.1.2.2 Đặc điểm của mạch dao động

3.1.2.3 Mạch dao động ba điểm điện dung

3.2 Mạch khuyếch đại thuật toán

3.3 Mạch khuyếch đại dùng BJT

3.3.1 Các chế độ hoạt động của BJT

PHẦN I CHƯƠNG I: MÁY PHÁT 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện tử thông tin

1.2 Định nghĩa và phân loại:

Một hệ thống điện tử thông tin bao gồm, máy phát, máy thu và môi trường truyền sóng Trong đó máy phát là 1 thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được biểu diễn dưới 1 hình thức nào đó

Hình 1.2: sơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phát Sóng điện từ là gọi là sóng mang hay tải tin làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát tới máy thu Thông tin này được gắn với tải tin theo 1 hình thức điều chế thích hợp Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu đủ lớn cho máy thu

Máy phát phải sử dụng điều chế chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức Ngoài ra các tần số hoạt động của máy phát phải được chọn căn cứ vào kênh và vùng phủ song theo qui định của hiệp hội thông tin quốc tế Các tần số trung tâm của máy phát phải có độ

ổn định tần số cao Do đó chỉ tiêu của máy phát là: công suất ra, tần số làm việc , độ ổn định tần số, dải tần số điều chế

 Có nhiều cách phân loại máy phát

- Thông tin vi-ba, ra-da :

+ 3  30 Ghz  (0.1m  0.01 m) : đài phát sóng cm

+ 30  300 Ghz  (0.01m  0.001m) : đài phát sóng mm

 Theo điều chế:

+ Máy phát điều biên AM

+ Máy phát đơn biên SSB

+ Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM stereo) Ngày nay máy phát đa số được nghiên cứu để ứng dụng tất cả vào các loại máy phát thông tin số, phát thanh, phát hình, v.v…

 Theo công suất:

+ Máy phát công suất nhỏ Pra < 100

+ Máy phát công suất trung bình 100 W  Pra 10 KW

+ Máy phát công suất lớn 10 KW  Pra<1000 W

+ Máy phát công suất cực lớn Pra  1000 KW

Ngày nay các máy phát có Pranhỏ và trung bình người ta có thể sử dụng hoàn toàn bằng Transitor , còn các máy phát có Pra lớn và cực lớn vẫn phải

dùng các đèn điện tử đặc biệt

Có rất nhiều cách phân loại máy phát nhưng trong chương này chúng ta đặc biệt quan tâm đến cách phân loại theo phương pháp điều chế vì nó liên quan đến thiết kế mạch và cả dạng tin tức cần phát đi

Dưới đây ta chỉ xét máy phát FM

Hình 1.3: sơ đồ khối tổng quát của máy thu phát FM

1.3.1 Nhiệm vụ các khối

 Khối tiền khuyếch đại âm tần:

Tầng này có tác dụng khuyếch đại tín hiệu vào đến mức cần thiết để đưa vào tầng điện kháng và điều chế FM

Mạch điều chế FM: mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần

 Tầng nhân tầng và khuyếch đại công suất cao tầng:

Có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát Công suất ra càng lớn thì số tầng khuyếch đại trong khối này càng nhiều

Sau đó tín hiệu được trộn với sóng mang được tạo ra từ khối chủ sóng để điều chế FM Tín hiệu FM sau khi điều chế được nhân tần để tạo ra tần số cao Cuối cùng tín hiệu sau khi nhân tần được khuếch đại nhờ mạch khuếch đại công suất cao tần rồi phát ra anten

1.3.3 Dạng sóng đầu ra các khối:

- Tín hiệu hình sin miêu tả tin tức cần gửi đi được khuếch đại qua khối tiền khuếch đại

- Tín hiệu cao tần sau khi đã được điều tần thông qua tần điện kháng

- Tín hiệu ra sau khối nhân tần tần số được nhân gấp vài lần nhưng vẫn giữ nguyên được quy luật biến tần

- Tần số dao động chuẩn TA bằng tần số f0 để so sánh với tần số f0 của dao động chủ sóng

Chương 1 là chương giới thiệu về máy phát FM có những ưu điểm nổi bật

mà máy phát AM không thể có được và từ mục đích yêu cầu nhiệm vụ nên em chọn đồ án này Sơ đồ khối máy phát FM, nguyên lý làm việc, dạng sóng đầu ra của các khối quan trọng Vậy chương này em đã khái quát máy phát FM mà đồ

án đang thi công

CHƯƠNG II: MÁY THU FM 2.1 Định nghĩa máy thu:

Máy thu là thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến điện Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận và lặp lại tin tức chưa trong tín hiệu chuyển

đi từ máy phát dưới dạng sóng điện từ trường Máy thu phải loại bỏ được các loại nhiễu không mong muốn, khuyếch đại tín hiệu sau đó giải điều chế

nó để nhận được tín hiệ ban đầu Máy thu có rất nhiều tham số nhưng

chúng ta chủ yếu chỉ xét đến các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản sau:

- Độ nhạy: biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu, được xác

định bằng sức điện động cảm ứng tối thiểu, hoặc công suất tối thiểu của tín hiệu ra của tín hiệu tại anten để đảm bảo cho má thu làm việc bình thường

- Độ chọn lọc: là khả năng chèn ép các dạng nhiễu không mong muốn,

không phải là tín hiệu cần thu Nghĩa là độ chọn lọc là khả năng lựa chọn tín hiệu ra khỏi các loại nhiễu tồn tạ tại đầu máy thu

- Chất lượng lặp lại tin tức: được đánh giá bằng độ méo của tín hiệu ,

chủ yếu là méo ở tầng khuyếch đại công suất âm tần để cho tín hiệu

ra loa không bị biến dạng so với tín hiệu đưa vào bộ điều chế của máy

phát

2.2.Máy thu đổi tần FM:

Hình 2.1: sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần FM

Tín hiệu cao tần từ anten vào mạch và được khuyếch đại nhờ mạch khuyếch đại công suất Sau đó tín hiệu được đưa đến bộ trộn tần để trộn với tín hiệu hình sin của dao động nội Tín hiệu được KDTT và được đưa vào bộ tách sóng để tái tạo lại tín hiệu âm tần Sau đó tín hiệu âm tần đưa vào tầng khuyếch đại âm tần để đưa ra loa

Để tránh hiện tượng điều biên nén gây méo tín hiệu sau tách sóng, ta đặt bộ hạn chế biên độ ngay trước bộ tách sóng tần số hoặc sử dụng bộ tách sóng tỉ số vì nó có mạch hạn biên Đối vơi máy thu FM, độ ổn định tần số yêu cầu rất cao nên bắt buộc phải có mạch AFC

CHƯƠNG III CÁC MẠCH THƯỜNG DÙNG TRONG MÁY PHÁT FM 3.1.Mạch tạo dao động

3.1.1 Các vấn đề chung về mạch tạo dao động

Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động :

+Tần số dao động

+Biên độ điện áp ra

+Độ ổn định tần số dao động

+Công suất ra

Nguyên tắc cơ bản để tạo mạch dao động điều hòa :

+Tạo dao động bằng hồi tiếp dương

+Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

3.1.2 Mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương

3.1.2.1 Điều kiện để mạch tạo dao động

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của mạch tạo dao động

(A): Khối khếch đại có hệ số khuếch đại là : K’=K.𝑒𝑗𝜑𝑘

(B): Khối hồi tiếp có hệ số truyền đại là : 𝐾′ℎ𝑡=𝐾ℎ𝑡 𝑒𝑗𝜑ℎ𝑡

Vậy điều kiện của mạch dao động là : 𝑋𝑣=𝑋′𝑟 K’ 𝐾′ℎ𝑡=1

𝐾 𝐾ℎ𝑡 𝑒𝑗(𝜑𝑘 +𝜑ℎ𝑡)=1

 𝐾 𝐾ℎ𝑡.[ cos(𝜑𝑘 + 𝜑ℎ𝑡) + j.sin(𝜑𝑘 + 𝜑ℎ𝑡) ] =1 (*)

K : là hệ số khếch đại

𝐾ℎ𝑡 : là hệ số hồi tiếp âm

𝜑𝑘 : góc pha của bộ khuếch đại

𝜑ℎ𝑡 : góc pha của mạch hồi tiếp

Từ (*) ta suy ra 𝐾 𝐾ℎ𝑡=1

𝜑=𝜑𝑘 + 𝜑ℎ𝑡=2𝜋n với n = 0, ±1, ±2, ±3…

Suy ra muốn tạo dao động phải thỏa mãn 2 điều kiện sau :

+ Điều kiện cân bằng biên độ : Mạch chỉ có thể dao động khi hệ số

khuếch đại của bộ khuếch đại bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra

+ Điều kiện cân bằng pha : Mạch chỉ có thể dao động khi tín hiệu hồi tiếp

về đồng pha với tín hiệu vào

3.1.2.2 Đặc điểm của mạch dao động

- Mạch dao động là một mạch khuếch đại , nhưng là mạch khuếch đại tự điều chỉnh bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều

- Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân bằng về biên độ và pha

- Mạch phải chứa ít nhất 1 phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều

- Mạch phải ít nhất 1 phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho biên đọ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

3.1.2.3 Mạch dao động ba điểm điện dung

Phương pháp tính toán mạch dao động ba điểm điện dung : Có nhiều phương pháp, nhưng ở đây ta xét phương pháp thông dụng nhất, đó là tính toán mạch dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp

a Mạch EC

Hình 3.2 : Sơ đồ mạch dao động ba điểm điện dung dùng Transitor(mạch EC)

Bước 1 : Tính hệ số khuếch đại K

K= - 𝛽 - 𝑍𝑐

𝑍𝑣 = - ℎ21𝑒

ℎ11𝑒 𝑍𝑐 Với ℎ21𝑒= 𝐼𝑐

𝐼𝐵 ; ℎ11𝑒= 𝑍𝑣 = 𝑅1//𝑅2//𝑟𝑏𝑒Suy ra K = -S 𝑍𝑐 = - ℎ21𝑒

ℎ11𝑒 𝑍𝑐 ; S : hỗ dẫn của BJT + 𝑍𝑐 : Trở kháng giữa collector và đất , nhưng do C được nối với khung cộng hưởng nên nó là phần tử trở kháng của khung cộng hưởng

Ta có công thức sau : 𝑍𝑐 = (𝑃2 𝑅𝑡𝑑) // 𝑍𝑣𝑝𝑎 (1)

𝑍𝑣𝑝𝑎 : Trở kháng vào phản ảnh sang nhánh collector-emitor

𝑅𝑡𝑑 : là trở kháng của khung cộng hưởng tại tần số cộng hưởng

𝑅𝑡𝑑= 𝐿

𝐶.𝑟

L : điện cảm của khung cộng hưởng

C : điện dung của khung cộng hưởng

r : điện trở tổn hao của khung cộng hưởng

𝑍𝐶= 𝑃

2 𝑅𝑡𝑑.𝑍𝑣𝑝𝑎(𝑃 2 𝑅𝑡𝑑)+𝑍𝑣𝑝𝑎

𝑍𝐶 = = (

1 𝑛+1 )2.𝑅𝑡đ.ℎ11𝑒

Dấu “ < ” ứng với trường hợp quá độ lúc đóng mạch

Bước 5 : Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được

Thường n << 1 nên biểu thức trên có thể viết :

3.2 Mạch khuyếch đại thuật toán

Ưu điểm của mạch khuếch đại thuật toán (OPAMP):

+Hệ số khuếch đại rất lớn vào khoảng 103÷105 khi hoạt động trong mạng +Tổng trở vào lớn nên dễ dàng phối hợp với các mạch điện và linh kiện ngoại vi

+Tổng trở ra nhỏ từ 0,1÷16Ω

+Độ trôi nhiệt nhỏ 2mV/1oC

Độ trôi này nằm trong phạm vi cho phép nên không cần phải hiệu chỉnh dịch điểm zero

+Điện áp tín hiệu ở ngõ ra gần bằng giá trị Vcc nên hiệu suất cao

Vì những lý do trên nên khi thiết kế ta chọn Opamp để khếch đại tín hiệu ngõ

Mạch này thường được dùng tại tầng khuyếch đại đầu tiên của máy phát

Sở dĩ nó được dùng vì nó có trở kháng vào lớn Do đó nó hạn chế được nhiễu biên độ lớn

R7 180

R5 10K C1 1uF

0

0

J3

1 2

J2

1 2

0

C8 5p

U3 OP-TL082

Tầng này có tác dụng khuếch đại tín hiệu sau khi được điều chế ở tầng dao động Máy phát FM tần số phát là 92.5 Mhz, công suất là 100 mW, nguồn cung cấp 9Vdc

4.1.1 Tính chọn L2, C10

L2 C10 dao động cộng hưởng có tác dụng chọn lọc tần số để khuếch đại

Tần số cộng hưởng của L2 C10 đúng bằng tần số của mạch điều chế

Để tín hiệu không méo dạng, ta chọn BJT Q2 hoạt động ở chế độ A

Sơ đồ tương đương của Q2

C9

R8

Q3

Vout L2

Vin

Vcc

C10

Trở kháng ra của Anten là Ranten= 75Ω

Trở kháng tải Rt= XL3//XC10//Ranten

Xtd= XL2//XC10= 𝑗𝜔∗𝐿3∗

1 𝑗𝜔∗𝐶10

↔Xtd= 174.1j Ω

Rt= Xtd//Ranten= 𝑋𝑡𝑑∗𝑅𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛

𝑋𝑡𝑑+𝑅𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 = 174.1∗75

174.1+75= 52.4 Ω Gọi VLP và ILP là điện áp đỉnh

 PL=Rt*I2

Lhd= 1

2*𝑉

2 𝐿𝑃 𝑅𝑡

 VLP= √2 ∗ 𝑃𝐿 ∗ 𝑅𝑡= √2 ∗ 0.1 ∗ 52.4 = 3.23 V

 ILP = 𝑉𝐿𝑃

𝑅𝑡 = 3.23

52.4 = 0.0616 A = 61.6 mA Công suất cung cấp cho Q2 là:

Pcc= Vcc*Itb = Vcc*𝐼𝐿𝑃

𝜋 = 9*61.6

𝜋 = 176,56 mW Công suất xoay chiều trên tải:

L3 hie

Cce 1/hoe Cbe

R8

Vin

E

Tầng dao động có tác dụng điều chế tín hiệu âm tần để tạo thành tín hiệu FM có tần số từ 88MHz đến 108MHz

Mạch dao động được thực hiện theo chế độ 3 điểm điện dung

Vout L1

Vcc

4.2.2 Tính chọn L1, C7, C8

Ltd,Cbe C8 tạo thành mạch dao động 3 điểm điện dung

Gọi Ltd= L1// C7 => j𝜔Ltd = 𝑗𝜔𝐿1∗

1 𝑗𝜔𝐶7

Khi điện áp vào BJT thay đổi thì tụ Cbe thay đổi, do

đó tần số của mạch cũng thay đổi => điều chế FM

Chọn C8=5pF, Cbe= 1.3pF

Từ (**) => 92.5*106 = 1

2𝜋√𝐿𝑡𝑑∗5∗10−12∗1.3∗10−12

5∗10−12+1.3∗10−12 => Ltd = 299*10-9 H

Q1

C8 Ltd

Cbe

Tụ C6 có tác dụng làm cho transistor hoạt động đúng chế độ tại tần số cao tần

Chọn giá trị tụ C6= 103 ( 10nF) sẽ hạn chế được đáp ứng cao tần đến 15KHz 4.3 Tầng tiền khuếch đại

Tầng tiền khuếch đại có tác dụng khuếch đại biên độ tín hiệu âm tần đủ lớn để

đưa vào tầng dao động

Ta chọn Opamp thay vì BJT vì trở kháng đầu vào của Opamp là

vô cùng và trở kháng ra thấp, độ lợi lớn

Ở đây ta chọn Opamp TL082

4.3.1 Chọn R3 R4

Xét mạch khuếch đại như hình

Ở chế độ một chiều thì độ lớn của tầng này là bằng 1 vì Vout= Vin

Ở chế độ xoay chiều, ta muốn có

độ lợi là Av=8 lần

R1

+

-U2B

TL084

5 6

Tín hiệu đầu vào có biên độ khoảng 775mV, tần số từ 20Hz ÷ 20KHz Chọn tần

số của tín hiệu âm thanh là 100 Hz

 XC1 = 1

2𝜋∗100∗𝐶1 = 100∗10

3 ∗100∗10310∗(100∗103+100∗103)

4.4.3 Tính tụ C3 C4

Tụ C3 C4 là cặp tụ có tác dụng làm ổn định nguồn, tránh nhiễu tác động vào Chọn tụ C3 có giá trị lớn vì khi có tín hiệu với tần số thấp tác động vào nguồn

thì sẽ bị tụ đưa xuống mass Chọn C3= 10µF

Chọn tụ C4 có giá trị thấp vì khi có tín hiệu tần số cao tác động vào nguồn thì sẽ

bị tụ đưa xuống mass Chọn C4= 100nF

10ZinQ2 = 29.3 Ω