Giáo trình Điện tử công nghiệp (Nghề: Vận hành nhà máy thuỷ điện) gồm 4 chương, cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về điện tử công nghiệp; Mạch chỉnh lưu; Các bộ khuếch đại; Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều. Mời các bạn cùng tham khảo!
TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHI ỆP
1.1.1 Điện tử công nghiệp Điện tử công nghiệp là môn học chuyên tìm hiểu quá trình xử lý và lắp đặt các mạch điện tử
Người học ngành Điện tử công nghiệp thường được tuyển dụng tại các nhà máy, phân xưởng, và doanh nghiệp trong lĩnh vực điện và điện tử Họ làm việc trong các tổ cơ điện hoặc phòng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị điện tại các nhà máy và xí nghiệp.
1.1.2 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất
Phần tử bán dẫn đóng cắt với kích thước nhỏ nhưng chịu được điện áp, dòng điện càng lớn và tổn hao công suất thấp.
CÁC LINH KIỆN CHUYỂN MẠCH TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
Trong mạch điện, trạng thái của một linh kiện được xác định bởi hai thông số chính: điện áp áp dụng và dòng điện chạy qua linh kiện đó.
Các phần tử sinh ra điện áp hoặc dòng điện được gọi là nguồn điện áp (nguồn áp) hoặc nguồn dòng điện (nguồn dòng) Ngược lại, các phần tử không tạo ra điện áp hay dòng điện được gọi là các phần tử tiêu thụ điện (các phụ tải).
Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, các linh kiện được sản xuất với nhiều hình thức khác nhau và có các đặc tính kỹ thuật phù hợp với từng lĩnh vực ứng dụng.
Các linh kiện điện tử thụ động gồm: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm
Điện trở trong mạch có nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm điều chỉnh thiên áp, hạn chế dòng điện, và điều chỉnh độ khuyếch đại Nó cũng được sử dụng để tạo thành mạch hằng số thời gian, làm phụ tải cho mạch, tạo nhiệt, và ổn định nhiệt, cùng với nhiều chức năng khác.
Điện trở là mức độ cản trở dòng điện trong một vật dẫn điện Vật dẫn điện có chất lượng tốt sẽ có điện trở thấp, trong khi vật dẫn điện kém sẽ có điện trở cao Đối với vật cách điện, điện trở sẽ đạt giá trị rất lớn.
Giá trị điện trở không bị ảnh hưởng bởi tần số của dòng điện, tức là điện trở giữ nguyên giá trị khi sử dụng trong mạch một chiều và mạch xoay chiều.
+ Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau:
Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu l: là chiều dài dây dẫn
S : là tiết diện dây dẫn
R : là điện trở đơn vị là Ohm + Khi sử dụng điện trở cần quan tâm đến các thông số sau :
- Sai số của điện trở (tính theo %) hay độ chính xác của điện trở
- Công suất tối đa cho phép (mà điện trở tiêu thụ)
- Các tham số về đặc điểm cấu tạo, vật liệu chế tạo
+ Điện tở được chia làm 2 loại :
- Điện trở có giá trị cố định : Hình a
- Điện trở có giá trị thay đổi :Hình b a b Hình 1.1: Điện trở có giá trị cố định (a) điện trở có giá trị thay đổi (b)
Điện trở than được chế tạo từ bột than trộn với keo và ép thành thỏi, có hai chân điện trở nhưng độ chính xác thấp và giá rẻ Điện trở than phun, với bột than phun theo rãnh trên ống sứ, được ưa chuộng hơn nhờ độ chính xác cao Điện trở dây quấn sử dụng dây kim loại có điện trở suất cao quấn quanh ống cách điện, có thể được phủ men hoặc không, cho phép điều chỉnh trị số Tuy nhiên, điện trở dây quấn có nhiều vòng dây gây cảm kháng, có thể giảm bằng cách quấn trên tấm cách điện phẳng hoặc quấn chập đôi Mặc dù điện trở dây quấn chịu được công suất tiêu tán lớn, bền và chính xác, nhưng giá thành của nó cao hơn.
Biến trở là một loại điện trở được cấu tạo từ dây quấn hoặc than phun hình vòng cung, với một con chạy có khả năng thay đổi vị trí khi xoay trục Thông thường, biến trở có ba đầu ra, trong đó đầu giữa tương ứng với con chạy.
Con chạy chia điện trở được chia thành hai phần: phần 1 và phần 2 Vị trí của con chạy ảnh hưởng đến giá trị điện trở của cả hai phần, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra tùy theo cách kết nối Biến trở với chức năng phân áp được gọi là chiết áp.
* Ký hi ệu a b Hình 1.2: Ký hiệu điện trở (a) biến trở (b)
Một số điện trở thường có công suất lớn, với giá trị điện trở và công suất tiêu tán cho phép được ghi trực tiếp lên thân của điện trở bởi nhà sản xuất.
- Đọc theo mã thập phân:
Vì điện trở có giá trị nhỏ nên việc ghi chép số liệu trở nên khó khăn Để đơn giản hóa, người ta đã thống nhất sử dụng đơn vị ohm (Ω) và quy định chỉ ghi 3 chữ số Hai chữ số đầu tiên biểu thị trị số điện trở, trong khi chữ số thứ ba cho biết số lượng số 0 bổ sung ở bên phải của hai chữ số trước đó.
- Đọc theo mã vạch màu: Tuân thủ theo bảng quy ước mã màu quốc tế như sau: Bảng 1.1 Bảng quy ước mã màu
Màu Vòng 1 Sai số Đen 0
Không màu 20% Điện trở l o ại 4 v òng màu : Đây là điện trở thường gặp nhất
- Vòng 1: Chỉ số thứ nhất
- Vòng 3: Chỉ các số 0 thêm vào
- Vòng 4: Sai số tính theo %
VD: Vàng – tím – cam - nhũ bạc
R = 47000 ± 10% Điện trở loại 5 v òng màu : Là điện trở có độ chính cao
- Vòng 1: Chỉ số thứ nhất
- Vòng 4: Chỉ các số 0 thêm vào
VD: Nâu – tím - đỏ - đỏ - nâu
+ Bước 1: Chỉnh thang đo về vị trí đo điện trở x1; x10; x100
+ Bước 2: Chỉnh KHÔNG thang đo bằng cách chập hai đầu que đo rồi chỉnh chiết áp để kim đồng hồ chỉ giá trị không
+ Bước 3 : Đặt que đo vào hai đầu điện trở, đọc trị số điện trở
Giá tr ị đo được = chỉ số kim chỉ thị x thang đo
Ví dụ: Để thang x100 và giá trị kim chỉ là 27 khi đó giá trị điện trở là
- Nếu ta để thang đo quá cao thì kim chỉ lên một chút, như vậy đọc trị số sẽ không chính xác
Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường, cần điều chỉnh thang đo sao cho kim chỉ lên không quá 2/3 thang đo Nếu thang đo quá thấp, kim sẽ chỉ lên quá nhiều và kết quả sẽ không chính xác.
- Khi đo các điện trở có trị số từ 10k trở lên thì ta không cầm tay vào hai đầu điện
Khi đo điện trở trong mạch điện, cần đọc trị số và đo như bình thường, với kết quả thường nhỏ hơn hoặc bằng giá trị ghi trên thân Để có kết quả chính xác, nên tháo một chân ra khỏi vỉ mạch hoặc tháo hẳn ra ngoài để đo Điện trở màng than thường hỏng theo dạng tăng trị số, không hỏng theo dạng giảm trị số.
Khi kiểm tra các điện trở nhiệt, cần tác động nhiệt độ bằng cách sử dụng mỏ hàn để nung nóng điện trở Nếu trị số của điện trở thay đổi theo nhiệt độ, điều đó cho thấy điện trở vẫn hoạt động tốt.
Để kiểm tra biến trở, hãy đo điện áp giữa chân giữa và chân cạnh Nếu kim đồng hồ thay đổi đều, biến trở hoạt động tốt; ngược lại, nếu kim giật cục, biến trở có thể bị hỏng Thường thì, biến trở hỏng do bụi bẩn, gây ra tiếp xúc kém và nhiễu trong quá trình điều chỉnh.
Khi biến trở tiếp xúc không tốt gây nhiễu khi điều chỉnh thì ta xử lý bằng cách tra dầu cách điện
MẠCH CHỈNH LƯU
MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
2.1.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
Hình 2.1: Mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
Sơ đồ nguyên lý(a) và giản đồ điện áp vào(b), ra (c)
Nguyên lý hoạt động của quá trình chỉnh lưu điện áp xoay chiều được thể hiện qua đồ thị hình sin theo thời gian T Trong đó, chúng ta chọn một chu kỳ cụ thể để phân tích quá trình chuyển đổi từ điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều.
Trong nửa chu kỳ đầu, điện áp dương xuất hiện tại điểm A và điện áp âm tại điểm B, khiến diode D được phân cực thuận và dẫn dòng điện Dòng điện di chuyển từ A qua diode D đến điểm M, tiếp tục qua điện trở Rt đến điểm N và quay trở về điểm B âm của nguồn.
Xét nửa chu kỳ sau, dương ở B, âm ở A Diode D phân cực ngược nên không dẫn dòng vì thế không có dòng điện đi qua Rt
Sau khi trải qua cả hai nửa chu kỳ, dòng điện trên Rt chỉ chảy theo một chiều, tạo ra dòng điện một chiều được nắn từ điện áp xoay chiều.
Điện áp ra của biến áp không ổn định, với gợn sóng lớn và hiệu suất thấp dưới 45%, dẫn đến việc không tận dụng hết công suất Thiết bị này thường chỉ phù hợp cho các tải không yêu cầu dòng điện ổn định như nạp ắc quy, nuôi bóng đèn sợi đốt, hoặc các mạch cần dòng điện nhỏ Điện áp DC tối đa chỉ đạt 0,7 lần điện áp hiệu dụng AC.
2.1.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ a, Trường hợp dùng hai diode
Hình 2.2: Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ
Sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ điện áp vào(b), ra (c)
* Nguyên lý ho ạt động:
Trong nửa chu kỳ đầu của hiệu điện thế hình sin, cuộn sơ cấp tại A có điện áp dương và tại B có điện áp âm Tại cuộn thứ cấp, nếu coi điện áp tại điểm P là 0V, thì điện áp tại M là dương và tại Q là âm Lúc này, Diode D1 được phân cực thuận và dẫn điện, trong khi Diode D2 phân cực ngược và không dẫn Dòng điện sẽ đi từ M qua D1 đến N, rồi qua Rt đến P.
Trong nửa chu kỳ sau của dòng điện hình sin, điện áp tại điểm Q là dương trong khi tại điểm M là âm Khi đó, Diode D2 được phân cực thuận và dẫn điện, trong khi Diode D1 bị phân cực ngược và không dẫn Dòng điện di chuyển từ Q qua D2 đến N, rồi tiếp tục qua Rt đến P.
Trong cả hai nửa chu kỳ của dòng điện, dòng điện đều chảy qua R_t theo cùng một chiều, cho thấy rằng dòng điện đi qua R_t chính là dòng điện một chiều được nắn từ dòng điện xoay chiều trước mạch chỉnh lưu Trường hợp sử dụng bốn diode tạo thành mạch chỉnh lưu cầu cũng mang lại hiệu quả tương tự.
Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ
Sơ đồ nguyên lý(a) và giản đồ điện áp vào (b), ra (c)
* Nguyên lý ho ạt động
Trong nửa chu kỳ đầu của hiệu điện thế hình sin, điểm A mang điện dương trong khi điểm B mang điện âm Lúc này, hai diode D1 và D3 bị phân cực ngược, dẫn đến việc chúng không dẫn điện, trong khi hai diode D2 và D4 được phân cực thuận và dẫn điện Dòng điện sẽ chảy từ A đến M, qua D2 đến N, tiếp tục qua Rt đến Q, và cuối cùng qua D4.
Trong nửa chu kỳ sau của dòng điện hình sin, điện áp dương xuất hiện tại điểm B và âm tại điểm A Lúc này, hai diode D2 và D4 bị phân cực ngược, dẫn đến việc chúng không dẫn điện, trong khi D1 và D3 được phân cực thuận, cho phép dòng điện đi qua Dòng điện di chuyển từ B đến P, qua D3 đến N, tiếp tục qua Rt đến Q, rồi qua D1 đến M và cuối cùng trở về điểm A âm của nguồn.
Trong cả hai nửa chu kỳ của dòng điện, dòng điện đều chạy qua Rt theo cùng một chiều Điều này cho thấy rằng dòng điện qua Rt chính là dòng điện một chiều được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều đầu vào.
2.1.3 Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia
Hình 2.4: Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia
Sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ điện áp vào, ra (b)
* Nguyên lý ho ạt động
Xét trong khoảng 1 ÷ 2 pha a có thế dương nhất nên Da dẫn Khi đó có dòng từ ua
Xét trong khoảng 2 ÷ 3 pha b có thế dương nhất nên Db dẫn Khi đó có dòng từ ub Db Rt N
Tương tự trong khoảng 3 ÷ 4 pha c có thế dương nhất nên Dc Khi đó có dòng từ uc Dc Rt N
Trong một chu kỳ của nguồn 3 pha, có ba lần chuyển mạch diễn ra Khi chuyển mạch, dòng điện qua tải giảm về 0 tại diode này và tăng lên ngay tại diode khác Kết quả là tín hiệu đầu ra sẽ có hình dạng như hình minh họa bên dưới.
Khi thực hiện chuyển mạch tự nhiên, dòng điện qua tải R sẽ giảm về 0 tại diode này và đồng thời tăng lên tại diode khác Do đó, chuyển mạch tự nhiên còn được gọi là chuyển mạch tự nhiên tức thời.
Nguyên tắc chuyển mạch tự nhiên xác định rằng tại mỗi thời điểm, diode có thế anot cao hơn sẽ dẫn điện, trong khi các diode khác sẽ ở trạng thái khóa Khi thế anot của hai diode bằng nhau, diode có thế anot đang tăng sẽ dẫn, còn diode có thế anot đang giảm sẽ khóa lại.
Các thông số cơ bản của mạch
- Góc dẫn của mỗi diode trong một chu kỳ là 120 0
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu là Ud = 1,17U Dạng điện áp chỉnh lưu biểu hiện dưới dạng các chỏm sin 3 pha, với tần số đập mạch được thể hiện trong hình 2.4b.
- Điện áp ngược đặt lên diode là Ungmax = 2,45U (2.3)
- Giá trị trung bình dòng điện chỉnh lưu qua phụ tải là Id =1,17
- Điện áp trung bình qua mỗi diode là ID R
2.1.4 Mạch chỉnh lưu ba pha hình cầu
Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu
Sơ đồ nguyên lý(a) và giản đồ điện áp vào, ra (b)
Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu bắt đầu từ đồ thị tín hiệu vào từ cuộn thứ cấp của máy biến áp, như thể hiện trong hình 2.5a Trong từng khoảng thời gian nhỏ, tín hiệu xoay chiều trên mạch thứ cấp được đưa vào cầu chỉnh lưu.
+ Tín hiệu vào có pha c dương nhất; pha b âm nhất Trên cầu chỉnh lưu có các diode D 5 và D 4 dẫn, các diode còn lại đều khoá
+ Dòng điện qua tải có chiều là: (+)c Đ5 M R 1 N Đ4 (-)b
- Khoảng thời gian từ: 1- 2 Tín hiệu vào có pha a dương nhất, pha b âm nhất
+ Trên cầu chỉnh lưu có các diode D 1 và D 4 dẫn; các diode còn lại đều khoá
+ Dòng điện qua tải là:
- Các khoảng thời gian tiếp theo: tương tự
+Tín hiệu 1 chiều qua tải được biểu diễn trên đồ thị là dạng sóng đầu ra Hình 2.5b Điện áp trung bình nhận được trên tải là:
(2.6) Giá trị trung bình của dòng qua tải là:
(2.7) Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi điode phải chịu là:
Giá trị dòng chảy qua mỗi điode là:
+ Tín hiệu vào là xoay chiều nhưng tín hiệu ra là một chiều trên Rd và chạy từ trên dưới
+Trong mỗi khoảng thời gian đều có 2 diode thuộc 2 nhóm dẫn nên thời gian chuyển mạch là tức thời.
MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN
Mạch chỉnh lưu sử dụng diode chỉ cung cấp một điện áp cố định Ud = ksđU2, phụ thuộc vào mạch và điện áp nguồn U2, không thể điều chỉnh theo yêu cầu tải Điều này xảy ra vì diode tự dẫn khi có điện áp nguồn xoay chiều Thay thế diode bằng thyristor cho phép điều khiển điểm dẫn theo ý muốn, với hai điều kiện cần thiết: điện áp trên van phải dương (UAK > 0) và có dòng điều khiển đủ lớn vào cực điều khiển Sử dụng điều kiện này, người ta có thể kiểm soát điểm mở của thyristor thông qua khái niệm góc điều khiển (góc mở) ký hiệu là .
Góc điều khiển là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor nhận tín hiệu phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà nếu van hoạt động như diode, nó sẽ bắt đầu dẫn điện.
2.2.1 Chỉnh lưu có điều khiển một pha nửa chu kỳ
Hình 2.6: Mạch chỉnh lưu có điều khiển một pha nửa chu kỳ a, Sơ đồ nguyên lý; b, Giản đồ điện áp vào, ra
* Nguyên lý ho ạt động
Xét trong khoảng (0 ) điện áp trên thyristor T dương, song phải đến thời điểm
thì thyristor mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung Do đó:
Trong giai đoạn (0 ) thyristor khoá: ud = 0
Trong giai đoạn ( ) thyristor dẫn: ud = u2
Trong giai đoạn ( 2) thyristor khoá: u d = 0
Điện áp ud giờ đây không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2, mà chỉ là một phần của nó, với độ lớn phụ thuộc vào góc .
Khi điều khiển với = 0 có giá trị Ud0: d 0 2 U 2 0 , 45 U 2
Chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diode, được biểu diễn qua công thức (2.11), có thể coi là một trường hợp đặc biệt của chỉnh lưu dùng thyristor.
= 0 Biểu thức có thể viết lại thành: u1 u2
Điện áp chỉnh lưu Ud phụ thuộc vào góc điều khiển α, cho phép điều chỉnh điện áp ra tải chỉ bằng cách thay đổi tham số α Trong mạch chỉnh lưu này, khi thay đổi α từ 0 đến 180 độ, điện áp Ud có thể được điều chỉnh từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất là 0.
Tín hiệu vào, ra có dạng hình vẽ 2.6b
Các tham số của chỉnh lưu thyristor được lấy từ chỉnh lưu diode, bởi vì khi góc điều khiển α = 0 (tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển), điện áp chỉnh lưu đạt giá trị lớn nhất và mạch chịu tải nặng nhất.
2.2.3 Chỉnh lưu có điều khiển một pha cả chu kỳ a, Trường hợp có hai Thyristor
Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu có điều khiển một pha 2 nửa chu kỳ a, Sơ đồ nguyên lý; b, Giản đồ điện áp vào, ra
*Nguyên lý ho ạt động
Trong mạch chỉnh lưu, góc điều khiển của các thyristor phải bằng nhau: 1 = 2
Sự sai lệch giữa các yếu tố được đánh giá thông qua mật độ đối xứng, trong khi mạch điều khiển có trách nhiệm duy trì độ mất đối xứng không vượt quá 10 đến 20 điện.
Trong khoảng (0 ), điện áp trên thyristor T1 là dương trong khi T2 là âm, dẫn đến việc T2 bị khóa hoàn toàn Tuy nhiên, chỉ đến thời điểm α, thyristor T1 mới nhận được tín hiệu điều khiển IG1 từ khâu phát xung.
Trong giai đoạn (0 1) thyristor T1 khoá: ud = 0
Trong giai đoạn ( ) thyristor T1 dẫn: ud = u2 ’
Trong khoảng thời gian từ (π đến 2π), điện áp trên thyristor T1 ở mức âm, dẫn đến việc thyristor T2 hoàn toàn bị khóa và không nhận điện áp dương Tuy nhiên, phải đến thời điểm α, thyristor T2 mới nhận được tín hiệu điều khiển IG2 từ khâu phát xung.
Trong giai đoạn (0 2) thyristor T2 khoá: ud = 0
Trong giai đoạn (2 2 ) thyristor T2 dẫn: ud = u2 ’’
Điện áp ud không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2 và u2’’, mà chỉ là một phần của nó Độ lớn của điện áp ud phụ thuộc vào góc .
Theo giản đồ ta nhận được:
Trong mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển với bốn Thyristor, khi tải thuần trở, dòng điện id tương tự như điện áp Ud với Ud0 = 0,9U2 Dòng điện này sẽ có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn bộ dải điều chỉnh , do đó được gọi là dòng điện gián đoạn.
Hình 2.8: Mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển a, Sơ đồ nguyên lý; b, Giản đồ điện áp vào, ra
*Nguyên lý ho ạt động
Trong mạch chỉnh lưu cầu, góc điều khiển của các thyristor phải bằng nhau: 1
Sự sai lệch giữa các giá trị α2, α3 và α4 được đánh giá thông qua mật độ đối xứng Mạch điều khiển có nhiệm vụ duy trì độ mất đối xứng không vượt quá 1 đến 2 độ điện.
BA R i2 i1 ud iT4 iT2 id
Trong khoảng (0 ), thyristor T1 và T2 nhận điện áp dương, trong khi T3 và T4 nhận điện áp âm, dẫn đến T3 và T4 bị khoá hoàn toàn Tuy nhiên, chỉ đến thời điểm α, thyristor T1 và T2 mới được cấp tín hiệu điều khiển IG1 và IG2 từ khâu phát xung.
Trong giai đoạn (0 ) thyristor T1, T2 khoá: ud = 0
Trong giai đoạn ( ) thyristor T1, T2 dẫn: ud = u2
Trong khoảng (π/2π), điện áp trên thyristor T1 và T2 âm, dẫn đến việc khóa hoàn toàn điện áp trên thyristor T3 và T4 dương Tuy nhiên, chỉ đến thời điểm α, thyristor T3 và T4 mới nhận được tín hiệu điều khiển IG2 từ khâu phát xung.
Trong giai đoạn ( ) thyristor T3, T4 khoá: ud = 0
Trong giai đoạn ( 2 ) thyristorT3, T4 dẫn: ud = u2
Điện áp ud không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2, mà chỉ là một phần của nó, với độ lớn phụ thuộc vào góc .
Theo giản đồ ta nhận được:
CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
3.1.1 Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại
Khuếch đại là quá trình mà tín hiệu điện được đưa vào một phần tử và sau đó được tăng cường hơn, đồng thời vẫn giữ nguyên dạng tín hiệu ban đầu.
Phần tử làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu gọi là bộ khuếch đại
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại như sau:
Hình 3.1: Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại
3.1.2 Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại
Mức độ tăng cường tín hiệu so với tín hiệu vào gọi là hệ số khuếch đại (K)
Hệ số khuếch đại được phân loại theo tín hiệu khuếch đại, bao gồm hệ số khuếch đại điện áp, hệ số khuếch đại dòng điện và hệ số khuếch đại công suất, tương ứng với điện áp, dòng điện và công suất.
- Hệ số khuếch đại điện áp: K U v r
- Hệ số khuếch đại dòng điện:
- Hệ số khuếch đại công suất: KP V r
Trong đó: các đại lượng vào có chỉ số chữ v, các đại lượng ra có chỉ số là chữ r
Bộ khuếch đại điện áp có: K > 1, K = 1
Bộ khuếch đại dòng điện có: Ku = 1, Ki > 1
Bộ khuếch đại công suất có: Ku > 1, Ki > 1
Trở kháng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại được tính bằng công thức:
3.1.3 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại
Chế độ hoạt động của tầng khuếch đại phụ thuộc vào chế độ phân cực của transistor Tùy theo mục đích sử dụng, mạch khuếch đại có thể được phân cực ở các chế độ A, B, AB và C Trong đó, mạch khuếch đại ở chế độ A là một trong những lựa chọn phổ biến.
Mạch khuếch đại chế độ A có khả năng tái tạo tín hiệu ra giống hệt tín hiệu vào, đồng thời khuếch đại cả hai bán chu kỳ của tín hiệu đầu vào Để transistor hoạt động hiệu quả trong chế độ A, cần định thiên sao cho điện áp UCE đạt khoảng 60% đến 70% Vcc Ngược lại, mạch khuếch đại chế độ B hoạt động khác biệt.
Mạch khuếch đại bán kỳ chỉ khuếch đại một nửa chu kỳ của tín hiệu, sử dụng transistor NPN cho khuếch đại bán kỳ dương và transistor PNP cho khuếch đại bán kỳ âm Mạch khuếch đại ở chế độ B không có định thiên, chỉ khuếch đại một bán chu kỳ của tín hiệu đầu vào Ngoài ra, còn có mạch khuếch đại ở chế độ AB.
Mạch khuếch đại ở chế độ C tương tự như mạch khuếch đại ở chế độ B, nhưng được định thiên để điện áp UBE đạt khoảng 0,6V Mạch này chỉ khuếch đại một nửa chu kỳ tín hiệu, giúp khắc phục hiện tượng méo giao điểm thường gặp trong mạch khuếch đại chế độ B.
Mạch khuyếch đại với điện áp UBE được phân cự ngược nhằm lấy tín hiệu đầu ra là một phần đỉnh của tín hiệu đầu vào Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng tách tín hiệu.
3.1.4 Hồi tiếp trong phản hồi
Là thao tác hoàn ngược lại đầu ra kết quả đầu vào của một phần tín hiệu để ổn định của mạch hoạt động.
TẦNG KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR BIPOLAR
3.2.1 Tầng khuếch đại Emitơ chung (EC)
Hình 3.2: Sơ đồ tầng khuếch đại EC
- R 1 : Điện trở định thiên đảm bảo cho tiếp giáp phát – gốc được phân cực thuận
- R 2 : Điện trở tải đưa điện áp từ nguồn E 2 đến cực góp để tiếp giáp gốc – góp được phân cực nghịch
- C 1 , C 2 là tụ liên lạc với tầng trước và tầng sau
- UV là điện áp ào, UR là điện áp ra
* Nguyên lý ho ạt động
Khi đưa tín hiệu xoay chiều UV vào đầu vào của mạch ta thấy:
Trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, điện áp dương làm giảm độ âm của điện áp tại chân B (UB), dẫn đến việc giảm điện áp UBE Kết quả là dòng IB và IC đều giảm, trong khi sụt áp trên R2 giảm, làm cho điện áp UC tăng theo chiều âm, tức là trở nên âm hơn.
Trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, điện áp âm kết hợp với nguồn E1 làm cho điện áp tại chân B (UB) giảm, dẫn đến tăng điện áp UBE, từ đó làm tăng dòng IB và IC Sụt áp trên R2 tăng lên, khiến điện áp UC giảm theo chiều âm, tức là có xu hướng dương lên.
K ết luận: Như vậy điện áp ra ngược pha với điện áp vào Nếu thay đổi UV (là
UBE) thì dòng IB, IE thay đổi dẫn đến IC thay đổi theo
Trong mạch mắc EC, dòng điện ra lớn hơn dòng vào từ hàng chục đến hàng trăm lần
3.2.2 Tầng khuếch đại Colectơ chung (CC)
Hình 3.3: Sơ đồ tầng khuếch đại CC
- R 1 : Điện trở định thiên đảm bảo cho tiếp giáp phát – gốc được phân cực thuận
- R 2 : Điện trở tải (trở gánh)
- C 1 , C 2 là tụ liên lạc với tầng trước và tầng sau
- UV là điện áp ào, UR là điện áp ra
Tín hiệu vào đưa tới 2 cực gốc – góp, tín hiệu ra lấy ở 2 cực góp – phát Cực góp
C tham gia cả mạch vào và mạch ra nên được gọi là mạch khuếch đại mắc CC
* Nguyên lý ho ạt động
Trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, điện áp dương kết hợp với điện áp dương từ nguồn E1 làm tăng điện áp tại chân B, dẫn đến việc điện áp UB trở nên dương hơn.
UBE tăng, dẫn đến IE giảm Sụt áp trên R 2 giảm lên làm cho UE càng dương hơn Khi đó tín hiệu ra ở bán kỳ dương
Trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu, điện áp âm từ tín hiệu kết hợp với điện áp âm nguồn E1 làm cho điện áp tại chân B (UB) giảm, dẫn đến sự gia tăng điện áp UBE và dòng điện IE Sự gia tăng sụt áp trên R2 khiến điện áp UE trở nên âm hơn.
K ết luận : Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào, đồng thời độ khuếch đại điện áp kém KU < 1, vì: UV = U R2 + U EB và UR = U R2 do đó 1
- Trong mạch này, độ khuếch đại dòng điện KI từ hàng chục đến hàng trăm lần
- Mạch diện này được ứng dụng rất rộng rãi
3.2.3 Tầng khuếch đại Bazơ chung BC
Hình 3.4: Sơ đồ tầng khuếch đại BC
* Nguyên lý ho ạt động
Trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, điện áp dương kết hợp với điện áp dương từ nguồn E1 làm cho điện áp tại chân E (UE) cao hơn điện áp tại chân B (UB).
Khi UBE tăng, IE cũng tăng theo Sự gia tăng sụt áp trên R2 dẫn đến giảm điện áp tại chân C (UC), tức là điện áp này tăng lên theo chiều âm, từ đó làm cho điện áp ra UR cũng tăng lên.
Trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào, điện áp âm làm giảm điện áp tại chân E (UE) so với UB, dẫn đến sự giảm của điện áp UBE, từ đó làm giảm dòng điện IE và IC Sự sụt áp trên R2 giảm, khiến điện áp tại chân C (UC) tăng lên, dẫn đến điện áp ra UR trở nên âm.
K ết luận : Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào, đồng thời độ khuếch đại dòng điện kém KI < 1, vì: 1
- Trong mạch này, độ khuếch đại điện áp KU từ hàng trăm đến hàng ngàn lần
- Mạch diện này được ứng dụng trong tầng dao động của máy thu để dao động ổn định.
GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI
Các tầng khuếch đại đơn có thể được kết hợp để tạo thành mạch khuếch đại đa tầng, nhằm đạt được các mục tiêu thiết kế cụ thể như tăng độ lợi, cải thiện tần số pha, giảm nhiễu và phối hợp trở kháng.
Có 2 cách ghép cơ bản: Ghép gián tiếp và ghép trực tiếp
+ Ghép gián tiếp: Dùng RC, biến áp,…
Sử dụng tụ C trong mạch RC giúp cách ly DC giữa các tầng ghép, thuận tiện cho việc tính toán thiết kế Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu có tần số cao, vì dung kháng của tụ nhỏ và tổn hao điện áp tín hiệu thấp Đối với tín hiệu tần số thấp hoặc biến đổi chậm, tổn hao trên tụ lớn yêu cầu sử dụng tụ có điện dung lớn hơn Hơn nữa, cách ghép này có thể gây ra độ lệch pha và giới hạn tần số cắt thấp trong mạch khuếch đại.
Sử dụng biến áp trong việc ghép nối các tầng khuếch đại tương tự như ghép RC, giúp cách ly tín hiệu DC giữa các tầng và cải thiện phối hợp trở kháng cũng như đáp ứng tần số cao Phương pháp này thường được áp dụng để ghép nối các tầng khuếch đại cao tần, trung tần và khuếch đại công suất trên tải Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là kích thước cồng kềnh của biến áp.
Ghép trực tiếp, như ghép chồng và ghép Dalington, là một giải pháp đơn giản và hiệu quả Phương pháp này cho thấy sự liên kết chặt chẽ giữa sự biến động điểm tĩnh của các tầng Do đó, việc lựa chọn điểm làm việc phù hợp với nhiều tầng là rất quan trọng Hình thức sắp xếp ghép cũng đóng vai trò then chốt trong quá trình này.
3.3.2 Ghép tầng dùng tụ điện
Hình 3.5: Sơ đồ ghép tầng dùng tụ điện
- Các tụ C1, C2, C3 là tụ liên lạc, dẫn tín hiệu ra vào giữa các tầng (dùng tụ hoá)
+ R1, R2 là điện trở thiên áp R1 để điều chỉnh, chọn chế độ làm việc cho đèn T1 + RE1: ổn định nhiệt cho T1
+ C E1 : làm ngắn mạch tín hiệu xoay chiều để tránh hồi tiếp âm
+ R 3 là điện trở thiên áp, được mắc theo kiểu ổn định nhiệt Đồng thời R 3 để điều chỉnh, chọn chế độ làm việc cho đèn T2
+ RC2: điện trở tải của đèn T2
* Nguyên lý ho ạt động
- Tụ C1 dẫn tín hiệu ra xoay chiều của tầng trước đó vào cực gốc và phát của đèn T1 Qua T1 tín hiệu được khuếch đại lên
Tín hiệu được lấy từ cực góp và phát của transistor T1, sau đó được truyền qua tụ C2 vào cực gốc và phát của transistor T2 Tại đây, tín hiệu sẽ được khuếch đại thêm một lần nữa.
Tín hiệu được lấy từ cực góp và phát của đèn T2, sau đó được truyền qua tụ C3 để vào cực gốc và phát của tầng tiếp theo, giúp khuếch đại tín hiệu lên nhiều lần.
Các tụ C1, C2, C3 đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn tín hiệu xoay chiều giữa các tầng, đồng thời ngăn chặn tín hiệu 1 chiều Do đó, tụ hoá được sử dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của mạch.
- Trong mạch dùng 2 transistor thuận, mà để transitor thuận mở thì điện thế U B2 bao giờ cũng ít âm hơn U C1 nên người ta đấu chân tụ như sau:
+ Đấu cực dương của tụ về phía cực gốc của đèn tầng sau:
+ Đấu cực âm của tụ về phía cực góp của đèn tầng trước:
+ Sơ đồ đơn giản, độ tin cậy lớn, linh kiện gọn nhẹ, dễ thực hiện ổn định điểm làm việc
+ Không phối hợp được trở kháng giữa các tầng
+ Khó khai thác độ khuếch đại công suất lớn nhất Mỗi tầng chỉ KĐ được
3.3.3 Ghép tầng bằng máy biến áp
Hình 3.6: Sơ đồ ghép tầng dùng máy biến áp
- R 1 là điện trở định thiên, xác định chế độ làm việc cho transitor T1
- R 2 , R 3 là điện trở phân áp, ổn định nhiệt cho transitor T1
- C1 là tụ liên lạc với tầng trước
- C2 và C4 là tụ khử hồi tiếp âm đối với xoay chiều
- R 4 là điện trở phân áp cho transitor T2
- R 6 ổn định nhiệt cho transitor T2
C3 là tụ kín mạch trong tầng kích động, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu từ thứ cấp của máy biến áp BA1 đến cực gốc – phát của đèn T2, nhờ vào sự hỗ trợ của C3 và C4.
* Nguyên lý ho ạt động
Tín hiệu vào từ tụ C1 dẫn đến cực gốc, kích hoạt transistor T1 và được khuếch đại Khi dòng IC1 của transistor T1 đi qua cuộn sơ cấp của máy biến áp BA1, nó tạo ra cảm ứng ở cuộn thứ cấp Tín hiệu ra từ cuộn thứ cấp BA1 sẽ được truyền đến tầng T2.
Tại tầng này, tín hiệu được khuếch đại lên Sau khi tín hiệu xuất phát từ T2, nó đi qua sơ cấp BA2, sau đó được cảm ứng sang thứ cấp BA2, và cuối cùng được chuyển đến tầng tiếp theo hoặc kết nối với tải.
- Nếu máy biến áp BA2 có cuộn sơ cấp gồm W1 vồng dây và cuộn thứ cấp gồm
W2 vòng dây thì tỷ số BA là;
Do trở kháng ra của TZT tầng trước lớn hơn trở kháng vào của TZT tầng sau khoảng 10 đến 50 lần, nên số vòng dây sơ cấp BA thường gấp 3 đến 7 lần số vòng dây thứ cấp BA.
Để đạt được độ KĐ công suất lớn nhất, cần tính toán và điều chỉnh tỷ số vòng dây sơ - thứ của các máy biến áp sao cho ZV của tầng sau bằng ZR của tầng trước.
+ Dễ dàng phối hợp được trở kháng giữa các tầng, chọn tỷ số máy biến áp thích hợp
+ Có thể chọn được hệ số khuếch đại lớn nhất, tới 10.000 lần
+ Cồng kềnh, giá thành cao, lắp ráp phức tạp
+ Gây méo tần số Ứng dụng: Thường được ứng dụng cho các tầng khuếch đại cuối và trước cuối.
KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Các mạch khuếch đại thông thường không cung cấp đủ tín hiệu ra mạnh để đáp ứng nhu cầu của các phụ tải lớn Để đạt được đầu ra công suất cao và đáp ứng yêu cầu của tải, cần sử dụng mạch khuếch đại công suất.
Mạch khuếch đại công suất phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tín hiệu khuếch đại phải đạt công suất yêu cầu
- Độ méo tín hiệu nhỏ
Các chế độ làm việc của mạch khuếch đại công suất:
Khi tín hiệu vào có dạng hàm điều hòa thì tùy theo tín hiệu ra của mạch khuếch đại công suất chia ra
3.4.1 Khuếch đại công suất chế độ A
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện khuếch đại chế độ A
* Nguyên lý ho ạt động
Xét mạch điện như hình vẽ
Phương trình phương trình điện áp giữa hai cực C và E là:
Hình 3.8: Đồ thị dòng điện và điện áp giữa hai cực C và E
Từ giá trị IB, ta xác định điểm làm việc AB là giao điểm của đặc tuyến ra ứng với IB và đặc tuyến động Khi tín hiệu vào IB thay đổi từ (IB - ΔIB) đến (IB + ΔIB), điểm làm việc sẽ dịch chuyển trên đoạn A3 – A0 – A4 Kết quả là UCE sẽ biến thiên theo nhịp thay đổi của IB nhưng với pha đảo ngược, trong khi dạng tín hiệu ra vẫn giữ nguyên.
Công suất do nguồn một chiều cấp : Pv =UCC ICO (3.12)
ICO là giá trị IC ứng với điểm làm việc A0
Công suất ra xoay chiều trung bình:
Khuếch đại chế độ A có độ méo nhỏ nhưng hiệu suất thấp (không quá 25%)
3.4.2 Khuếch đại công suất chế độ B
Hình 3.9: Sơ đồ mạch điện khuếch đại công suất chế độ B
Nguyên lý hoạt động của hệ thống sử dụng tầng khuếch đại công suất đối xứng, hay còn gọi là khuếch đại đẩy kéo, để thu tín hiệu đầu ra Trong quá trình này, các transistor sẽ luân phiên hoạt động trong mỗi nửa chu kỳ, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cho tín hiệu.
Trong hình 3.10, đồ thị thể hiện dòng điện và điện áp giữa hai cực C và E cho thấy trong nửa chu kỳ dương, T1 dẫn và T2 khóa Ngược lại, trong nửa chu kỳ sau, T2 dẫn và T1 khóa Kết quả đầu ra là tín hiệu khuếch đại liên tục trong cả chu kỳ của tín hiệu đầu vào, như minh họa trong hình b.
Khuếch đại chế độ B gặp phải vấn đề méo tín hiệu khi chuyển đổi giữa hai nửa chu kỳ Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do các transistor có ngưỡng thông.
UBE =0,7V Để khắc phục hiện tượng này cần mạch tạo phân áp để cho cả 2 transisitor có
Hiện tượng méo tín hiệu được thể hiện qua hình vẽ sau:
Hình 3.11: Đồ thị hiện tượng méo tín hiệu
KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN
Khuếch đại thuật toán (OA) là một mạch tích hợp tuyến tính với hệ số khuếch đại điện áp cao, có trở kháng đầu vào lớn và trở kháng đầu ra nhỏ.
Khuếch đại thuật toán lý tưởng có Zv =, trở kháng ra Zr = 0 và hệ số khuếch đại
Khuếch đại thuật toán bao gồm hai đầu vào: đầu vào không đảo và đầu vào đảo, cùng với một đầu ra và các chân nguồn Ngoài ra, nó có thể có thêm các chân kết nối với mạch ngoài để nâng cao chức năng của khuếch đại Bộ khuếch đại được ký hiệu như hình minh họa.
Hai đầu vào của khuếch đại thuật toán thực chất là hai đầu vào của khuếch đại vi sai Do đó, khuếch đại thuật toán sẽ khuếch đại điện áp giữa hai đầu vào với hệ số khuếch đại KOA.
Ur = KOA(U+ - U-) = KOA U v (3.15) Khi một trong 2 điện áp U+ hoặc U- bằng 0 thì:
U+ = 0 thì Ur =-KOA.U- suy ra Ur đảo pha so với tín hiệu vào U- Vì thế đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo
U- = 0 thì Ur = KOA.U+ suy ra Ur đồng pha so với tín hiệu vào U+ Vì thế đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo a, H ệ số khuếch đại
Từ biểu thức: Ur = KOA(U+ - U-) = KOA U v
Hình 3.13: Đồ thị hệ số khuếch đại Đầu ra Đầu vào Không đảo Đầu vào đảo
1 5 10hz 100hz 1khz 10khz 100khz 1Mhz
Hệ số khuếch đại KOA của khuếch đại thuật toán có giá trị lớn và khác nhau giữa các loại IC Đối với tín hiệu vào xoay chiều, KOA giảm nhanh chóng khi tần số vượt quá 5Hz và gần như bằng 0 ở tần số khoảng 1MHz.
Hình 3.14: a, Sơ đồ khuếch đại; b, đường đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến truyền đạt là đường biểu thị quan hệ Ur và U v hình b
Quan hệ đặc tuyến cho thấy rằng với hệ số khuếch đại lớn, phần khuếch đại trở nên dốc đứng, trong đó Ur tỉ lệ với ΔUv Tuy nhiên, sau một khoảng thời gian nhất định, sự tăng ΔUv không còn làm tăng Ur nữa.
Ur bị bão hòa Giá trị bão hòa của Ur bị giới hạn bởi điện áp nguồn và thường thấp hơn điện áp nguồn từ (1 đến 2)V
Khi nguồn nuôi của khuếch đại thuật toán là nguồn một cực tính, đặc tuyến truyền đạt sẽ có sự thay đổi Theo sơ đồ hình a, khi U v