Tài liệu ĐỀ TÀI THỰC KỸ THUẬT MẠCH docx

Sinh viên học cách đo, sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản trong thực tế như điện trở, tụ điện, diode, transistor… Kiểm tra chất lượng xem các linh kiện này còn tốt đã hư hỏng, kém chất

ĐỀ TÀI THỰC KỸ THUẬT MẠCH

Để kết hợp tốt giữa lý thuyết và thực tế và nâng cao tay nghề làm việc trong thực tế của sinh viên ngành Điện tử_Viễn thông tôi đưa ra chương trình thực tập xưởng cho sinh viên ngành Điện tử_Viễn thông như sau:

Chương trình bao gồm bài thực tập:

I CÁC BÀI THỰC TẬP:

1 Sinh viên học cách đo đạc sử dụng các thiết bị đo lường cơ bản trong thực tế như đo điện trở, đo dòng điện, đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng, sử dụng mỏ hàn, máy hiện sóng

2 Sinh viên học cách đo, sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản trong thực tế như điện trở, tụ điện, diode, transistor… Kiểm tra chất lượng xem các linh kiện này còn tốt đã hư hỏng, kém chất lượng

3 Học cách làm mạch in trong thực tế bao gồm các phần:

- Tính toán thiết kế mạch về mặt lý thuyết

- Hiệu chỉnh các thông số của linh kiện điện tử tính toán về mặt lý thuyết sang các thông số có sản xuất trong thực tế có thể mua được trên thị trường

- Đi mua và đo kiểm tra chất lượng các linh kiện trước khi lắp mạch

- Lắp mạch Test thử trên bo cắm vạn năng

- Thiết kế, vẽ sơ đồ mạch in

- Khoan mạch in để làm lỗ cắm chân linh kiện

- Sơn phủ tạo đường mạch trên miếng Bakelit tráng đồng

- Ngâm mạch in trong hoá chất ăn mòn tạo thành đường mạch

- Tẩy rửa , phơi khô mạch in

- Cắm chân các linh kiện lên mạch in, kiểm tra so sánh lại với mạch lý thuyết sau đó tiến hành hàn mạch in

- Đưa mạch in thành phẩm ra chạy, test thử, hiệu chỉnh lại so sánh kết quả với mạch lý thuyết Nếu có sai số vượt quá giới hạn cho phép phải hiệu chỉnh lại các thông số kỹ thuật của linh kiện hoặc mạch điện

4 Sau khi sinh viên đã nắm được kiến thức cơ bản về làm mạch in sẽ tiến hành làm các mạch sau:

a Thiết kế lắp đặt mạch khuyếch đại tín hiệu nhỏ dùng transistor

b Thiết kế lắp đặt mạch dao động đa hài dùng hai bóng transistor

c Lắp mạch dao động phát xung dùng IC 555

d Lắp mạch khuyếch đại vi sai

e Lắp mạch khuyếch đại công suất đẩy kéo

II-YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN SAU KHI HOÀN THÀNH CHƯƠNG TRÌNH THỰC TẬP XƯỞNG:

1 Sử dụng tốt các thiết bị đo lường kiểm tra cơ bản của ngành điện tử viễn thông như đồng hồ vạn năng tương tự, đồng hồ vạn năng số, máy hiện sóng…

2 Đo kiểm tra chất lượng các linh kiện điện tử cơ bản trong thực tế như tụ điện, điện trở, transistor, diode, thyristor…

3 Sử dụng thành thạo các linh kiện điện tử trong thực tế

4 Biết cách lắp ráp, hàn chân linh kiện

5 Nắm được quy trình thiết kế mạch in và cách thi công làm mạch

6 Thiết kế một số mạch điện tử cơ bản trên lý thuyết Sau đó lắp ráp làm thành một vỉ mạch hoàn chỉnh

1) Chọn kiểu mạch khuếch đại:

Giả sử chọn mạch khuếch đại theo kiểu thông dụng nhất là mạch khuếch đại ráp kiểu E chung, tải RC, điện trở RE ổn định nhiệt và cực B được phân cực bằng cầu phân áp (hình 1.1)

C2

+ C3

+ C1

Vcc

+ - Vs

Q1 Rs

Re

Rc

Rb2 Rb1

Hình 1.1Chọn điện áp nguồn VCC = 9V là mức điện áp thông dụng cho các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

mV26r

mV26I

I

mV26r

e

e E

Thông thường, điện trở RC và RE được chọn sao cho:

V9I

.10

VR

E

CC 1

E

Chọn: IE.RE = 1/10VCC ⇒ = = =0,9kΩ

mA1x10

V9I

.10

VR

E

CC 1

)kxmA1(V5,4V9I

RIVV

C

E E CE CC

Lấy điện trở RC theo trị số tiêu chuẩn là: RC = 3,3kΩ Khi chọn trị số RC

và RE theo trị số tiêu chuẩn thì điện áp VCE sẽ bị thay đổi chút ít trên đặc tuyến

Vcc

Q1

Re Rc

Hình 1.2

IC

=

=β

Thay vào đó ta có:

VBB = (0,01mA x 20kΩ) + 0,6V + (1mA x 1kΩ) = 1,8V

Theo định lý thevenin ta có:

2 B 1 B

2 B CC

BB

RR

R.VV

+

2 B 1 B

2 B 1 B B

RR

R.RR

6) Nghiệm lại trên mạch điện:

Trình tự nghiệm lại trên mạch điện giống như cách tính trạng thái một chiều theo phương pháp toán học và tính trên mạch điện hình 2.5 như đã thiết kế

V9,1k27k

100

k27x

V9RR

R.VV

2 B 1 B

2 B CC

Ω+

Ω

Ω

=+

=

Ω

≈Ω+Ω

ΩΩ

=+

k27k

100

k27xk100R

R

R.RR

2 B 1 B

2 B 1 B B

Re1 Rb2

Rb1

Hình 1.3

E B

BE BB B

R.R

VV

I

β+

−

=

mA01,0k1.100k

25,21

V7,1V9,R

.R

VV

I

E B

BE BB

Ω+

Ω

−1

=β+

VCE = VC – VE = 5,7V – 1V = 4,7VMạch điện hình 1.3 có các điện trở với trị số theo thiết kế được chọn theo trị số tiêu chuẩn

2.5 Tính các thông số của mạch ở trạng thái xoay chiều

Mạch điện hình 1.3 được vẽ lại đầy đủ như hình 1.4 với các tụ điện liên lạc và tụ điện phân dòng

+ - Vs

Q1 Rs

Re1

Rc1

Rb2 Rb1

R

VV

5,2

k3,3x100hie

RC

- Tổng trở vào chung của mạch là:

Ri = hie // RB (với RB = TB1//RB2)

≈Ω+

Ω

ΩΩ

=+

k25,21k

5,2

k25,21xk5,2RBhie

RB.hieRi

Nếu nguồn tín hiệu xoay chiều là Micro thì nội trở nguồn rs = 600Ω

- Độ khuếch đại điện áp chung của mạch là:

S i

i S

i i

0

VO

rR

R.AVV

VV

k2,2

k2,2x132

Ω+Ω

Ω

−

=

2) Trường hợp không có tụ điện CE:

Nếu không có tụ điện phân dòng CE thì cực E không được nối mass ở trạng thái xoay chiềuTrường hợp này đường tải động cũng chính là đường tải tĩnh.Các thông số của mạch ở trạng thái xoay chiều được tính lại là:

- Tổng trở vào của transisto là:

i

e e e e b b i

i

i

i

R.ir.ir.i

C E

ie b

C b i

b

c c i

0

v

R.h

R.)R.h(i

R.i

r.i

R.iv

v

A

β+β

−

=β

Độ khuếch đại điện áp khi không có tụ CE bị giảm rất nhỏ:

- Tổng trở vào chung của mạch là:

Ω

=Ω+

Ω

ΩΩ

=

k25,21k

5,102

k25,21xk5,102R

//

r

- Độ khuếch đại điện áp chung của mạch là:

2,3600

k6,17

k6,17x

3,3r

R

RxA

A

S i

i V

Ω+Ω

Ω

−

=+

=

Nhận xét:

Khi mạch khuếch đại dùng transisto ráp kiểu E chung có điện trở RE ổn định nhiệt và không có tụ điện phân dòng CE thì tổng trở vào sẽ tăng lên và độ khuếch đại điện áp sẽ giảm xuống Đây là mạch khuếch đại hồi tiếp sẽ phân tích

kỹ trong chương “Khuếch đại hồi tiếp”

3) Trường hợp có điện trở tải RL:

Sơ đồ hình 2.13e và 2.13f là trường hợp có điện trở tải RL và mạch tương đương

Theo mạch tương đương ta có RL = RC // RL, lúc đó các thông số của mạch được tính lại như sau:

ie

i V

h

R

A =−β (khi có t ụ CE)

E

L V

R

R

A =− (khi không có tụ CE)

Trong đó RL gọi là tải xoay chiều của mạch

Bài 2: Thiết kế mạch đa hài phi ổn theo các thông số kỹ thuật sau: VCC = 12V, dòng điện tải ở cực là IL = 10mA, transisto có β = 100, tần số dao động là f

= 1000Hz Mạch thay đổi được tần số dao động đầu ra

2.1 – LÝ THUYẾT THIẾT KẾ MẠCH ĐA HÀI PHI ỔN CƠ BẢN

1) Sơ đồ mạch:

T2 T1

Rc1

về cực B1 và từ cực C1 về cực B2 sẽ làm cho transisto dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hoà, transisto dẫn điện yếu hơn tiến dần đến ngưng dẫn.

Giả thiết T1 dẫn điện mạnh hơn, tụ C1 nạp điện qua RC2 làm cho dòng IB1

tăng cao nên T2 tiến đến bão hoà Khi T1 bão hoà, dòng IC1 tăng cao và

VC1 ≈ VCPsat ≈ 0,2V, tụ C2 xả điện qua RB2 và qua T1 Khi tụ C2 xả điện, điện áp

âm trên tụ C2 đưa vào cực B2 làm T2 ngưng (hình 5.1)

Thời gian ngưng dẫn của T2 chính là thời gian tụ C2 xả điện qua RB2 Sau khi tụ C2 xả xong, cực B2 lại được phân cực nhở RB2 nên T2 dẫn bão hoà làm

VC2 = VCEsat ≈ 0,2V Điều này làm tụ C1 xả điện qua RB1 và điện áp âm trên tụ C1

đưa vào cực B1 làm cho T1 ngưng Lúc đó, tụ C2 lại nạp điện qua RC1 làm cho dòng IB2 tăng cao và T2 bão hoà nhanh

Thời gian ngưng dẫn của T1 chính là thời gian tụ C1 xả điện qua RB1 Saukhi tụ C1 xả điện xong, cực B1 lại được phân cực nhở RB1 nên T1 trở lại trạng thái dẫn bão hoà, như trạng thái giả thiết ban đầu Hiện tượng này được lặp đi lặp lại tuần hoàn

3) Dạng sóng ở các chân

Xét cực B1 khi T1 bão hoà VB≈ 0,8V Khi T1 ngưng cho tụ C1 xả điện làm cực B1 có điện áp âm (khoảng -VCC) và điện áp âm này giảm dần theo hàm số mũ

Xét cực C1: khi T1 bão hoà VC1 ≈ 0,2V, khi T1 ngưng VC1 ≈ +VCC Dạng sóng ra ở cực C là dạng sóng vuông

Tương tự khi xét B2 và cực C2 Dạng sóng ở hai cực này cùng dạng với dạng sóng ở cực B1 và C1 nhưng đảo pha nhau

T = t1 + t2

Trong đó, t1 là thời gian tụ C1 xả điện qua RB1 từ điện áp –VCC lên ≈ 0V

Vì tụ C1 xả điện từ –VCC lên nguồn +VCC nên điện áp tức thời của tụ (lấy mức -VCC làm gốc) là:

1 1 B

1 CC

1

C

C.R

te.V.2

VC1 = 2VCC e

Thời gian t1 để tụ C1 xả qua RB1 từ – VCC lên 0V cho bởi công thức:

1 1 B

1 CC

CC

C.R

te.V2

VCC = 2VCC e

Suy ra:e = R t.C 2

1 1 B

Chu kỳ dao động là:

t

C 1 xả t1

V B1

-V CC

0,8 V

t +V CC

V C1

C 1 xả t2

V

C2

Hình 5-3: Dạng sóng ở các chân

T = t 1 + t 2 = 0,69 (R B1 C 1 + R B2 C 2 )

Trong mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có:

0

1T

1

1T

2,012I

VV

C

CEsat CC

C

T = 2 0,69 R B C = 1,4 R B C

3 C

I.kI

3 C

8,012I

VV

B

BEsat CC

1f

R4

1) Sơ đồ mạch

Vcc

T2 T1

Từ công thưc tính tần số của mạch đa hài phi ổn, cho thấy tần số dao động

có thể thay đổi bằng cách thay đổi trị số điện trở RB hay thay đổi trị số tụ điện C Thông thường người ta dùng biến trở VR để thay đổi trị số RB như hình 5.4

2) Nguyên lý – Thiết kế

Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai transisto Điều kiện của mạch là khi điều chỉnh biến trở VR sẽ không làm thay đổi nguyên lý hoạt động của mạch, khi dẫn điện transisto vẫn phải ở trạng thái bão hoà

Khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm thay đổi trị số điện trở RB1 và RB2 trong khoảng:

RB1max = R1 + VR hay RB2max = R2+ VR

Giới hạn trên sẽ cho ra khoảng tần số mà mạch dao động có thể tạo ra được

Giả thiết mạch đa hài phi ổn được thiết kế trong phần trên có tần số điều chỉnh được từ fmin = 500Hz đến fmax = 1500Hz thì phần tính toán được giải theo trình tự sau:

a) Đầu tiên ta giả thiết mạch dao động đa hài phi ổn có tần số dao động không đổi là tần số trung bình của fmin và fmax:

Hz10002

1500500

b) Với tần số không đổi là ftb = 1000Hz bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch

đa hài phi ổn cơ bản như trên và ta đã có kết quả:

1

RB=

Trị số RB tỉ lệ nghich với tần số f nên ta có hai trường hợp:

• Tần số là fmin khi Rbmax

• Tần số là fmax khi Rbmin

1C

.f4,1

1

min max

1C

.f4,

1

1

max min

b

Trong phần nguyên lý, ta đã có:

RBmin = R1 = R2 = 27kΩ

RBmax = R1 + VR = R2 + VR = 80kΩ

Suy ra: VR = RBmax – RBmin = 80kΩ - 27kΩ = 53kΩ

Chọn biến trở VR = 50kΩ theo tiêu chuẩn

e) Kiểm tra điều kiện bão hoà

Điều kiện của mạch đa hài phi ổn là khi dẫn điện phải ở trạng thái bão hoà Khi thay đổi biến trở VR sẽ làm thay đổi RB và dòng điện IB nên cần kiểm tra lại trạng thái dẫn của transisto khi có RBmax.

Ta có: I V R V 1280.100,83 0,14mA

max B

BEsat CC

max

Do dòng điện IC = 10mA, với β = 100 thì ở trạng thái khuếch đại ta có:

mA1,0100

10.10I

I

3 C

Vậy ta có sơ đồ mạch với trị số các linh kiện được tính toán như sau:

50k

0.2uF 0.2uF

+12V

BÀI 3: THIẾT KẾ LẮP ĐẶT MẠCH DAO ĐỘNG

VỚI TẦN SỐ 100HZ DÙNG IC555

1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VI MẠCH ĐỊNH THÌ 555

3.1 ĐẠI CƯƠNG

Vi mạch định thì 555 và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong thực

tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện RC thì nó

có thể thực hiện nhiều chức năng như định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các kinh kiện bán dẫn công suất như transisto, SCR, triac

3.2 SƠ ĐỒ CHÂN VÀ CẤU TRÚC

Vi mạch 555 được chế tạo thông dụng nhất là dạng vỏ plastic.Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transisto và nhiều điện trở thực hiện các chức năng như trong hình 3.1 gồm có:

1) Cầu phân áp gồm ba điện trở 5kΩ nối từ nguồn +VCC xuống mass cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3 VCC và 2/3 VCC

2) OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In- nhận điện áp chuẩn 2/3 VCC, còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6 Tuỳ thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 VCC mà OP-AMP (1) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset), điều khiển Flip-Flop (F/F)

3) OP-AMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn 1/3 VCC, còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2 Tuỳ thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 VCC mà OP-AMP (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set), điều khiển Flip – Flop (F/F)

4) Mạch Flip – Flop (F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái của F/F ở ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái

5) Mạch OUTPUT là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của F/F, nên khi

Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp(≈0V), và ngược lại, khi

Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (≈VCC)

6) Transisto T1 có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4V, là loại transisto PNP Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1,4 V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hoà, đồng thời làm mạch OUTPUT cũng dẫn bão hoà, và ngõ ra xuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do đó, chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên VCC để tránh mạch bị Reset do nhiễu

7) Transisto T2 là transisto có cực C để hở, nối ra chân 7 (Discharge = xả)

T2 bão hoà và cực C của T2 coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ

ra chân 3 có điện áp cao Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4

7.3 MẠCH ĐA HÀI PHI ỔN DÙNG 555

1) mạch phi ổn cơ bản

0.1uF

C

1Gnd 2Trg 3Out 4Rst CtlThr56

7 Dis 8 Vcc

555

Vcc 12

R1 1k

RB RA

Chân 4 nối nguồn +VCC nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa hai điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ Ngõ ra chân 3, có điện trở giới hạn dòng 1,2kΩ và Led để biểu thị mức điện áp ra – chỉ có thể dùng trong trường hợp tần số dao động có trị số thấp từ 20Hz trở xuống, vì ở tần

số cao hơn 40Hz, trạng thái sáng tắt của Led khó có thể nhận biết bằng mắt thường

Để phân tích nguyên lý của mạch, cần phối hợp mạch ứng dụng hình 7.3 và sơ

đồ cấu trúc hình 7.2

Khi mới đóng điện tụ C bắt đầu nạp từ 0V lên nên:

- OP-AMP (1) có Vi+ < Vi- nê ngõ ra cso V01 = mức thấp, ngõ R = 0 (mức thấp)

- OP-AMP (2) có Vi+ > Vi- nên ngõ ra có V02 = mức cao, ngõ S = 1 (mức cao)

- Mạch F/F có ngõ S = 1 nên Q = 1 và Q = 0 Lúc đó, ngõ ra chân 3 có V0

≈ VCC (do qua mạch đảo) làm Led sáng

- Transisto T2 có VB2 = 0V, do Q = 0 nên T2 ngưng dẫn và để tụ C được nạp điện

Tụ C nạp điện qua RA và RB với hằng số thời gian khi nạp là:

Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 1/3 VCC thì OP-AMP (2) đổi trạng thái, ngõ ra có V02 = mức thấp, ngõ S = 0 (mức thấp) Khi S xuống mức thấp thì F/F không đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức cao, Led vẫn sáng

Khi điện áp trên tụ tăng đến mức2/3 VCC thì OP-AMP (1) đổi trạng thái, ngõ ra có V01 = mức cao, ngõ R = 1

- Mạch F/F có ngõ R = 1 nên Q = 1 Lúc đó, ra chân 3 có V0 ≈ 0V làm Led tắt Khi ngõ Q = 1 sẽ làm T2 dẫn bão hoà và chân 7 nối mass làm tụ C không nạp tiếp điện áp được, mà phải xả điện qua RB và transisto T2 xuống mass Tụ C xả điện qua RB với hằng số thời gian là:

Khi điện áp trên tụ tức là điện áp chân 2 và chân 6 giảm xuống dưới 2/3 Vcc thì OP-AMP (1) đổi trở lại trạng thái cũ là V01 có mức thấp, ngõ

R = 0 Khi R xuống mức thấp thì F/F không đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức thấp, Led vẫn tắt Khi điện áp trên tụ giảm xuống đến mức 1/3 VCC

thì OP-AMP (2) lại có V+ > V- nên ngõ ra có V có mức cao, ngõ S = 1 Mạch

t nạp = (R A + R B ) C

t xả = R B C