Giáo trình Kĩ thuật mạch điện 2

0) R và   CC mq E U I(t ) R là các dòng nạp ban đầu và cuối. Khi hết xung điều khiển T mở lại, tụ điện C phóng điện nhanh qua T:  r CU U 0V Mạch trở về trạng thái ban đầu. Từ biểu thức sai số    0 q m 0 CC I I(t ) U I E (11.10) 125 Ta thấy rõ: Muốn sai số bé cần chọn nguồn ECC lớn và biên độ ra của xung răng cưa Um nhỏ. Đây cũng chính là nhược điểm cơ bản của mạch tạo xung răng cưa đơn giản. 11.5 MẠCH DÙNG PHẦN TỬ ỔN DÒNG Hình 11.3 Transistor T2 mắc kiểu B chung (hình 11.3), có tác dụng như một nguồn ổn dòng (có bù nhiệt nhờ dòng ngược qua diode ổn áp Dz), cung cấp dòng IE2 ổn định nạp cho tụ trong thời gian có xung vuông cực tính âm điều khiển T1 khoá. Với điều kiện gần đúng, dòng colectơ T2 không đổi thì:   qt C2 C 0 I1 U (t) Idt C C (11.11) Trong đó t là quan hệ bậc nhất. Mạch điện cho phép tận dụng toàn bộ nguồn điện E tạo xung răng cưa với biên độ nhận được tối đa: mU E. Nhược điểm của mạch: Khi có tải Rt mắc song song trực tiếp với C thì có phân dòng qua Rt, do đó hệ số méo phi tuyến  tăng. Để sử dụng mạch có hiệu quả tốt, cần có biện pháp nâng cao Rt hay giảm ảnh hưởng của Rt đối với mạch ra của sơ đồ. 11.6 MẠCH BÙ CÓ KHUẾCH ĐẠI BÁM 11.6.1 Mạch điện Sơ đồ mạch dao động tạo xung tam giác có bộ khuếch đại bám được trình bày trên hình 11.4. 126 Hình 11.4. Mạch dao động tạo xung tam giác có bộ khuếch đại bám 11.6.2 Tác dụng linh kiện Trong mạch điện: T1 là phần tử khoá thường mở nhờ RB và chỉ khoá khi có xung vuông cực tính âm điều khiển. T2 là phần tử khuếch đại đệm chế độ đóng mở (K< 1). 11.6.3 Nguyên lý hoạt động Tại thời điểm ban đầu Uv = 0; T1 mở nhờ dòng điện trên RB chọn trên mức IBbão hoà CC 1 E .  Diode D thông, qua R có dòng Io  CC DoI E /(R R ) Với:  C CE1bhU U 0 T2 bị khoá ta nhận được: rU 0. Trong thời gian có xung vào, T1 bị khoá, tụ C được nạp điện qua diode D và điện trở R làm cho điện thế tại điểm M (cũng là điện thế trên cực bazơ T2) dương dần, T2 thông mạnh, số gia  CU qua T2 và C0 (có giá trị điện dung lớn), gần như được đưa toàn bộ về điểm N bù thêm với giá trị sẵn có tại N (đang giảm dần theo giá trị dòng nạp) giữ ổn định dòng trên R nạp cho tụ C. Chú ý: Khi dòng hồi tiếp qua C0 về N có trị số bằng E/R thì không có dòng nạp qua D, dẫn tới cân bằng động, nguồn ECC dường như cắt khỏi mạch và tụ điện C được nạp nhờ điện thế ECC đã được nạp trước trên C0. Các sơ đồ hình 11.2, 11.3, 11.4 có thể sử dụng với xung điều khiển cực tính ngược lại khi khoá, T1 được thiết kế dưới dạng thường ngắt mạch (không có RB). Ưu điểm: – Biên độ Um đạt giá trị xấp xỉ giá trị nguồn E; trong khi hệ số méo  giảm (1–k) lần. – Ảnh hưởng của RE và Rtải mắc tại cực emitơ của T2 thông qua tầng đệm phân cách T2 tới UC(t) rất yếu. 11.7 MẠCH TẠO XUNG TAM GIÁC DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 11.7.1 Sơ đồ mạch điện 127 Hình 11.5. Mạch tạo xung tam giác dùng IC tuyến tính 11.7.2 Dạng mạch tích phân đơn giản Mạch được xây dựng trên cơ sở khuếch đại dùng đầu vào đảo. Trong đó, thay thế điện trở Rht bằng tụ C, khi đó điện áp ra được tính bằng:          t C 0 0 Q(t) 1 U(t) I (t)dt Q C C (11.12) (dạng tích phân đơn giản) Với Q0 là điện tích có trên tụ tại thời điểm bắt đầu lấy tích phân t = 0. Với:  C vU (t)I (t) R có:    t r0 0 v 1 U(t) U (t)dt U RC (11.13) Thành phần Ur0 xác định tại thời điểm ban đầu (khi bắt đầu lấy tích phân):    0r0 r Q U U (t 0) C (11.14) Nếu Uv(t) là một xung vuông có giá trị không đổi, trong khoảng 0  t thì Ur0 (t) là một điện áp đường thẳng trong khoảng này:   r r0v 1 U (t) ( .U ).t U RC (11.15) Độ chính xác của công thức trên phụ thuộc vào giả thiết gần đúng 0U 0 hay dòng điện đầu vào IC gần bằng 0. Đối với các IC chất lượng cao, điều kiện này được đảm bảo khá tốt. 11.7.3 Dạng mạch có điều chỉnh hướng quét và cực tính Mạch điện hình 11.6: 128 Hình 11.6. Mạch tạo xung tam giác có điều chỉnh hướng quét và cực tính Phân tích mạch: Hoạt động của mạch được minh hoạ bằng giản đồ thời gian như hình 11.7. Hình 11.7. Giản đồ thời gian mạch tạo xung tam giác Khi có xung điều khiển cực tính dương, T thông bão hoà, tụ C phóng điện trong khoảng thời gian xung điều khiển t0 (t0 < tnghỉ với tnghỉ = tv). Trong khoảng tq (không có xung điều khiển) IC làm việc với chế độ khuếch đại tuyến tính, nếu U0 = 0 thì: UP = UN = UC Từ đó, xác định quy luật biến đổi của UC(t), tìm điều kiện để có quan hệ tuyến tính như sau:   0 N N r 1 2 E U U U R R Suy ra:   1 2 2r C 0 1 1 R R R U U . E R R (11.16) Tương tự, phương trình dòng tại nút P với mạch hồi tiếp dương:    C C C r 3 4 E U dU U U C. R dt R (11.17) 129 Từ hai phương trình (11.16) và (11.17), suy ra phương trình xác định UC(t)                C C 2 2 0 3 1 4 3 1 4 dU U R R1 1 E . E . dt C R R .R C R R .R (11.18) Tính chất biến đổi của UC (t) phụ thuộc vào hệ số của số hạng thứ hai, vế trái của (11.18): Nếu R3 > 1 4 2 R .R R đường UC (t) có dạng đường cong lồi; Nếu R3 < 1 4 2 R .R R đường UC (t) có dạng đường cong lõm. Còn nếu 2 1 R R = 4 3 R R thì UC phụ thuộc bậc nhất vào t, khi đó UC được tính: UC =       2 0 3 1 4 R1 E . E . C R R .R t (11.19) Nếu chọn: R1 = R3 và R2 = R4 Ta có biểu thức thu gọn của (11.19) là: UC =   0 3 1 . E E t R .C (11.20) Từ (11.20) ta thấy: Nếu E > E0 ta có Ur là điện áp tăng theo đường thẳng; Nếu E < E0 ta có Ur là điện áp giảm theo đường thẳng; Nếu chọn E0 = 0 ta nhận đuợc xung tam giác cực tính dương. Chọn E0 là một nguồn điều chỉnh được thì Ur có dạng hai cực tính với biên độ gần bằng 2EC ( ECC là nguồn cung cấp cho IC). Thực tế thường chọn E0 và E0 lấy từ EC qua bộ chia áp. Biên độ cực đại trên tụ C xác định bởi: UCmax =   0 q 3 1 . E E t R .C (11.21) 11.8. PHẠM VI ỨNG DỤNG Mạch tạo xung tam giác được sử dụng trong các hệ thống điện tử: thông tin, đo lường hay trong hệ thống tự động điều khiển, làm tín hiệu chuẩn hai chiều biên độ (mức) và thời gian đóng vai trò quan trọng trong mọi hệ thống điện tử hiện đại. 130 B- THỰC HÀNH: Lắp mạch tạo xung tam giác I. Tổ chức thực hiện Lý thuyết dạy tập trung Thực hành theo nhóm (3 sinh viên/nhóm) II. Lập bảng vật tư thiết bị TT Thiết bị - Vật tư Thông số kỹ thuật Số lượng 1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/nhóm 2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1cái/nhóm 3 Bo mạch thí nghiệm Bo 2110 1mạch/nhóm 4 Dây nối Dây đơn 0,05mm X 25cm nhiều màu 20m/nhóm 5 Nguồn điện Điện áp vào 220ACV/2A Điện áp ra 0 -:- 30DCV 1bộ/nhóm III. Quy trình thực hiện TT Các bước công việc Phương pháp thao tác Dụng cụ thiết bị,vật tư Yêu cầu kỹ thuật 1 Chuẩn bị Kiểm tra dụng cụ Kiểm tra máy phát xung Kiểm tra máy hiện sóng Bo mạch thí nghiệm Bộ dụng cụ Máy phát xung Máy hiện sóng Bo mạch Sử dụng để đo các dạng xung, Khi đo xác định được chu kỳ, dạng xung, tần số 131 2 Kết nối mạch điện Dùng dây dẫn kết nối Dây kết nối Bo mạch Đúng sơ đồ nguyên lý 3 Cấp nguồn Nối dây đỏ với dương Dây đen với âm Bộ nguồn Bo mạch 12VDC Đúng cực tính 4 Đo kiểm tra Kết nối mạch với đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng Đúng điện áp 5 Báo cáo thực hành Viết trên giấy Bút, giấy Vẽ sơ đồ nguyên lý Vẽ sơ đồ lắp ráp Trình bày nguyên lý hoạt động Ghi các thông số đo được IV. Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Nội dung Thang điểm 1 Kiến thức Vẽ được sơ đồ, trình bày nguyên lý làm việc, đặc điểm của mạch tạo xung tam giác 4 2 Kỹ năng Lắp được mạch điện đúng yêu cầu kỹ thuật Đo được các thông số cần thiết 4 3 Thái độ - An toàn lao động - Vệ sinh công nghiệp 2 BO MẠCH THỰC HÀNH KẾT NỐI MẠCH TẠO XUNG TAM GIÁC 132 Hình 11.8. Bo mạch thực hành 2110 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Phân tích quá trình tạo xung tam giác mạch hình 11.2. Muốn giảm nhỏ sai số  cần có những biện pháp nào? 2. Phân tích nguyên lý hoạt động mạch tạo xung tam giác sử dụng mạch tích phân đơn giản hình 11.5. 3. Phân tích vai trò của transistor T trong mạch hình 11.6. 4. Nêu các ứng dụng của mạch tạo xung tam giác. 133 Bài 12 TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI Mục tiêu bài học: Học xong bài này, học viên sẽ có khả năng: Trình bày được các dạng mạch dao động đa hài Trình bày được đặc điểm của các mạch dao động đa hài Trình bày được các phương pháp tạo ra mạch dao động đa hài Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ trong việc phân tích Nội dung bài học: A. LÝ THUYẾT 12.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI Trong kỹ thuật xung, để tạo các dao động xung (dao động không sin) người ta sử dụng mạch dao động tích thoát. Một bộ dao động tích thoát được chỉ dẫn trong hình 12.1. K1 K2 134 Hình 12.1. Sơ đồ khối bộ tạo dao động tích thoát Trong đó, các khoá K1, K2 làm việc ngược pha nhau. Nếu K1 đóng thì K2 mở: tụ C được nạp điện gọi là trạng thái 1. Khi K1 mở, K2 đóng tụ C phóng điện qua điện trở R gọi là trạng thái 2. Các bộ tích thoát tự dao động các khoá K1và K2 được đóng mở tự động nhờ một thiết bị chuyển mạch là phần tử phi tuyến có đặc tuyến V/A hình chữ S hoặc N. Các đặc tuyến hình S là đặc tính của một số dụng cụ điện tử như dụng cụ bán dẫn ba mặt ghép P–N–P–N (Tiristo) hay có thể tạo ra bằng cách sử dụng transistor thông thường trong các mạch khuếch đại có vòng hồi tiếp dương. Các đặc tuyến hình chữ N có thể tạo được nhờ loại dụng cụ điện tử đặc biệt như: diode Tunen Tóm lại, để tạo dao động tích thoát các đặc tuyến V/A không những có tính chất không đường thẳng mà phải tạo ra một vòng kín – phải đa trị như trong hình 12.2a, b. Hình 12.2. Đặc tuyến V/A hình chữ S (a) hoặc N (b) Đối với hình 12.2a đoạn U1  U2 hàm I = f(U) là đa trị. Ứng với một giá trị điện áp (chẳng hạn U1) có thể có nhiều giá trị của dòng điện I (có 2 hoặc 3 giá trị). Các bộ dao động tích thoát được dùng để tạo các xung vuông có độ rỗng khác nhau, một loại mạch dao động tích thoát được gọi là mạch dao động đa hài và mạch này có thể công tác ở ba chế độ: 135 – Chế độ tự dao động (gọi là đa hài tự dao động); – Chế độ đồng bộ (kích thích tuần hoàn từ ngoài); – Chế độ đợi (kích thích từ ngoài). 12.2 CÁC DẠNG MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 12.2.1 Mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định không bền Khi công tác ở chế độ tự dao động, chu kỳ lặp lại của xung tạo ra được xác định bằng các thông số của bộ dao động đa hài và điện áp nguồn cung cấp. Đặc tính cơ bản của bộ dao động loại này là tính ổn định của chu kỳ dao động bị phụ thuộc vào thời gian (khi thay các linh kiện trong sơ đồ), hoặc chúng bị oxi hoá đi khi va chạm cơ học hoặc do sự biến đổi của thời tiết hay nhiệt độ môi trường và khi điện áp cung cấp biến đổi. 12.2.2 Mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định (trigger–smitt) Các mạch dao động đa hài tự kích có độ ổn định tương đối thấp. Khi yêu cầu độ ổn định, độ chính xác cao hơn cần sử dụng mạch dao động đa hài ở trạng thái đồng bộ là mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định. Mạch điện hay dùng là mạch dao động trigger–smitt Các trigger là những mạch dao động đa hài có hai trạng thái cân bằng ổn định bền vững, và mạch có khả năng chuyển một cách đột biến từ trạng thái cân bằng này, sang trạng thái cân bằng khác khi được kích thích phù hợp. 12.2.3 Mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định Mạch dao động đa hài ở chế độ đợi (gọi tắt là mạch dao động đa hài đợi), là một mạch dao động tích thoát có hai trạng thái cân bằng, trong đó một trạng thái là cân bằng ổn định, mạch có thể tồn tại lâu dài ở trạng thái cân bằng này. Khi muốn chuyển sang trạng thái cân bằng không ổn định thì phải kích thích phù hợp cho mạch điện để chuyển trạng thái. Khi công tác ở chế độ đợi, nếu không có điện áp điều khiển từ bên ngoài, bộ dao động đa hài đợi nằm ở trạng thái ổn định. Khi có xung điều khiển với cực tính thích hợp, thường là các xung kích thích hẹp, mạch chuyển sang chế độ không ổn định một thời gian rồi tự động quay trở về trạng thái ban đầu và cho một xung ở mạch ra. 136 Thời gian ở trong trạng thái không ổn định phụ thuộc vào các tham số của mạch quyết định. Đặc tính cơ bản của bộ dao động đa hài một trạng thái ổn định, hay còn gọi là mạch dao động đa hài ở chế độ đợi là tính ổn định của độ rộng xung được tạo ra nhờ chọn tham số của nó. 12.3 ĐẶC ĐIỂM VỀ BIÊN ĐỘ CỦA CÁC MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 12.3.1 Đặc điểm về biên độ của các mạch dao động đa hài Để bảo đảm được dạng xung ra tốt và ổn định, cần chọn transistor công tác ở chế độ bão hoà khi thông. 12.3.2 Đặc điểm về xung kích của các mạch dao động đa hài Các mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định và mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định cần có xung kích thích ở đầu vào. Tác dụng của xung kích thích là tác động để lật trạng thái của mạch từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác (mạch dao động trigger) hoặc từ trạng thái cân bằng ổn định sang trạng thái cân bằng không ổn định (mạch dao động đa hài đợi). Xung kích thích hay còn gọi là điện áp điều khiển đầu vào có thể có dạng tuỳ ý: Liên tục hoặc rời rạc, nhưng phải bảo đảm yêu cầu, biên độ xung kích thích lớn hơn các mức ngưỡng, thì điện áp đầu ra sẽ có dạng xung vuông như mong muốn. Có thể dùng sườn đi lên hay đi xuống kích thích mạch để tăng độ chính xác ở thời điểm khởi động. 12.4 PHƯƠNG PHÁP TẠO RA MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI – Sử dụng linh kiện rời (transistor lưỡng cực, transistor trường). – Sử dụng vi mạch tương tự. 12.5 PHẠM VI ỨNG DỤNG Các mạch dao động đa hài được sử dụng tạo các dao động không sin trong kỹ thuật xung – số. Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Nội dung Thang điểm 1 Kiến thức Trình bày được các loại mạch dao động 4 137 đa hài và đặc điểm của các mạch đó 2 Kỹ năng Lắp được mạch điện đúng yêu cầu kỹ thuật Đo được các thông số cần thiết 4 3 Thái độ - An toàn lao động - Vệ sinh công nghiệp 2 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Vẽ sơ đồ khối bộ tạo dao động tích thoát và giải thích quá trình tạo dao động. 2. Nêu các loại mạch dao động đa hài và đặc điểm của các mạch đó. 3. Nêu ứng dụng của mạch dao động đa hài, cho ví dụ về các ứng dụng đó. Bài 13 MẠCH ĐA HÀI HAI TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH Mục tiêu của bài: Học xong bài này, học viên sẽ có khả năng - Trình bày được tác dụng linh kiện và nguyên lý làm việc của mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định dùng trong lĩnh vực điện tử dân dụng - Lắp ráp và cân chỉnh được mạch dao động đa hài hai trạng thái ổn định - Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ trong việc phân tích - An toàn cho người và thiết bị Nội dung bài học: A. LÝ THUYẾT 13.1 MẠCH TRIGGER ĐỐI XỨNG DÙNG TRANSISTOR (RS–TRIGGER) 13.1.1 Sơ đồ mạch điện Hình 13.1 là dạng sơ đồ nguyên lý của trigger RS kiểu đối xứng. 138 Hình 13.1. Trigger đối xứng kiểu RS Trong mạch T1 và T2 mắc EC và có liên hệ với nhau qua hai vòng hồi tiếp dương bởi các điện trở R1R2 và R3R4. 13.1.2 Tác dụng linh kiện Các linh kiện của mạch gồm có: R1, R2: Các điện trở cung cấp điện áp cho cực B của T1, T2. RC1, RC2: Các điện trở cung cấp điện áp cho cực C của T1 và cực C của T2. R3, R4: Các điện trở vào T1, T2. T1, T2: Các khoá điện tử. Để mạch đối xứng, các cặp điện trở có giá trị bằng nhau, các khoá điện tử mắc EC giống hệt nhau. 13.1.3 Nguyên lý làm việc Các trạng thái công tác có thể của mạch điện là: – Cả hai transistor đều thông. – T1 thông, T2 tắt. – T1 tắt, T2 thông. – Cả hai transistor đều tắt. T1 và T2 không thể cùng khóa do nguồn +ECC khi đóng sẽ đưa một điện áp dương nhất định tới các cực bazơ. T1 và T2 có thể cùng mở nhưng do tính chất đối xứng không lý tưởng của mạch, nên chỉ cần một sự chênh lệch vô cùng bé giữa hai dòng điện trên hai nhánh (IB1 khác IB2 hay IC1 khác IC2), thông qua các mạch hồi tiếp dương, độ chênh lệch này được khoét sâu nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển về một trong hai trạng thái ổn định bền T1 thông T2 khóa hoặc T1 khóa T2 thông. Vì thế, để đầu ra đơn trị, trạng thái vào ứng với khi R = S = 1 (cùng có xung dương) là bị cấm (trạng thái cấm). Điều kiện cấm là R.S = 0 Từ việc phân tích trên rút ra bảng trạng thái 13.1 của trigger RS, cho phép xác định trạng thái ở đầu ra của nó ứng với các khả năng có thể của các xung đầu vào. 139 Trong bảng 13.1: chỉ số n thể hiện trạng thái hiện tại. Chỉ số (n +1) thể hiện trạng thái tương lai của đầu ra. Dấu (X) thể hiện trạng thái cấm. Đầu vào R (Reset): gọi là đầu vào xóa; Đầu vào S (Set): gọi là đầu vào thiết lập. Bảng trạng thái 13.1: Bảng 13.1 ĐẦU VÀO ĐẦU RA Rn Sn Qn+1 n 1Q  0 0 Qn nQ 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 X X Mạch sử dụng transistor. Sơ đồ trigger RS lật trạng thái khi có điện áp kích thích là xung dương đặt vào cực B của transistor đang khóa. Một xung dương có biên độ thích hợp đủ dòng để mở transistor đang từ trạng thái tắt chuyển sang trạng thái thông. Có thể sử dụng chỉ một điện áp duy nhất có cực tính và hình dạng tùy ý (chỉ yêu cầu với biên độ đủ lớn) làm lật mạch trigger. Loại này còn có tên gọi là trigger Smith. 13.2 TRIGGER SMITH Mạch được cấu tạo từ transistor hay IC tuyến tính. 13.2.1 Sơ đồ mạch trigger Smith dùng transistor Sơ đồ mạch trigger Smith dùng BJT được trình bày trên hình 13.2. 140 Hình 13.2. Mạch trigger Smith dùng BJT Hình 13.3. Đặc tuyến truyền đạt mạch trigger Smith 13.2.2 Hoạt động của mạch điện Giả thiết Uv có giá trị âm lớn và cho tăng dần đặt lên cực B của T1 do đó T1 khóa. T2 mở do RC định dòng làm việc từ nguồn ECC. Khi đó xảy ra hành trình thuận. Điện áp ra được xác định: Ur = UCE2 bão hòa = Urmin Khi tăng Uv tới Uv ≥ Uvđóng (giá trị Uvđóng do lựa chọn ECC và giá trị R1, R2 quyết định). T1 mở, do hồi tiếp dương ghép trực tiếp từ cực colectơ của T1 về cực bazơ của T2 làm T2 bị khóa (do đột biến điện áp âm từ colectơ T1 đưa tới), qua mạch R1R2 đột biến điện áp dương tại colectơ T2 đưa tới cực bazơ của T1... Quá trình dẫn đến T1 thông bão hòa, T2 tắt hẳn. Do đó: Ur = Ur max (bằng ECC khi không mắc tải). Tương tự, ở hành trình ngược khi cho Uv rất dương và giảm dần, mạch sẽ lật về trạng thái T1 khóa; T2 mở lúc điện áp vào giảm qua giá trị Uvngắt. 141 Lựa chọn các giá trị RC, R1, R2 của sơ đồ quyết định điện áp Uvđóng và Uvngắt. Mạch trigger Smith được sử dụng để tạo xung vuông. Nhờ hồi tiếp dương mà quá trình lật trạng thái xảy ra tức thời ngay cả khi Uv biến đổi từ từ. Giá trị hiệu số Uvđóng – Uvngắt gọi là điện áp trễ chuyển mạch. Điện áp trễ chuyển mạch càng chính xác và càng nhỏ thì càng tốt. Hình 13.4. Giản đồ thời gian biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông sử dụng trigger Smith Để tính chất vuông góc của xung ở đầu ra không bị suy giảm, thì hiệu số: Ur max – Ur min phải lớn. Vì nếu hiệu số trên càng nhỏ hay hệ số suy giảm tín hiệu do phân áp R1 R2 gây ra càng lớn tức là hệ số hồi tiếp dương càng giảm điều này làm xấu đi tính chất của dạng xung. Như đã phân tích ở trên, mọi cố gắng để làm giảm độ trễ chuyển mạch: Utrễ  Ur max – Ur min (13.1) đều làm xấu đi tính chất hồi tiếp dương và có thể làm mất đi hai trạng thái ổn định đặc trưng của sơ đồ mạch trigger Smith hình 13.2. Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng trigger Smith ghép cực phát (E) như hình 13.5. Mạch hình 13.5 là một tầng khuếch đại vi sai có hồi tiếp dương qua R1, R2 và hồi tiếp âm dòng điện qua RE. 142 Hình 13.5. Mạch trigger Smith ghép emitơ Hình 13.6. Đặc tuyến truyền đạt mạch trigger Smith ghép emitơ Bằng cách lựa chọn tham số thích hợp, có thể đạt tới trạng thái khi lật dòng IC của một transistor (từ thông chuyển sang tắt) hoàn toàn truyền tới transistor kia, nói khác đi, không xảy ra trạng thái bão hoà ở các transistor lúc mở và do đó, nâng cao được mức Ur min (Ur min >> UCEbh) làm tăng tần số chuyển mạch lên đáng kể (có thể lên đến 100MHz). 13.3 MẠCH TRIGGER DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN Mạch trigger Smit dùng IC tuyến tính thực chất là mạch phát triển tiếp theo của sơ đồ hình 13.5 có dạng cơ bản là một mạch so sánh, nhưng nhờ có mạch hồi tiếp dương nên mức nối và ngắt không trùng nhau. Sử dụng IC có hai loại: 13.3.1 Loại đầu vào đảo (SFF đảo) Nguyên lý hoạt động của mạch (hình 13.7a) được giải thích như sau: Hình 13.7. Mạch nguyên lý SFF đảo và đặc tính truyền đạt – Khi tăng dần giá trị Uv từ một giá trị âm lớn (hành trình thuận), điện áp ra có giá trị:  r r maxU U Trên đầu vào không đảo P có mức điện áp: Uv Ur R2 R1 143    r max pmax 1 vng¾t 1 2 U U .R U R R (13.2) Khi tăng dần Uv trạng thái này không đổi cho tới khi Uv chưa đạt tới Uvngắt. Khi Uv  Uvngắt, điện áp U0 giữa hai đầu vào IC đổi dấu, dẫn tới IC lật trạng thái: r r minU U Qua mạch hồi tiếp dương ta có:    r min pmin 1 v®ãng 1 2 U U .R U R R (13.3) Và tiếp tục giữ nguyên khi Uv tăng. – Khi giảm Uv từ một giá trị dương lớn (hành trình ngược), cho tới lúc Uv = Uvđóng mạch mới lật làm Ur chuyển từ Urmin tới +Urmax. – Để đạt được hai trạng thái ổn định cần có điều kiện:   1 1 2 R .K 1 R R Với K là hệ số khuếch đại không tải của IC. Khi đó độ trễ chuyển mạch được xác định bởi:       1 trÔ rmax r min rmax r min 1 2 R U (U U ) (U U ) R R (13.4) Với    1 1 2 R R R là hệ số hồi tiếp dương của SFF đảo. 13.3.2 Loại đầu vào không đảo (SFF thuận) Thực chất đây là sơ đồ so sánh tổng (như đã trình bày ở bài 4) với một trong hai số đầu vào được nối tới đầu ra (U2  Ur). 144 Hình 13.8. Mạch SFF thuận và đặc tính truyền đạt Từ phương trình cân bằng dòng điện cho nút P, ta có:  r 1 2 vU U R R Suy ra giá trị ngưỡng đóng và ngắt được tính: Uvngắt   1 r max 2 R .U R Uvđóng   1 r min 2 R .U R Do đó, độ trễ được xác định bởi: Utrễ = 1 2 R R  .(Urmax – Urmin) (13.5) 13.4 PHẠM VI ỨNG DỤNG Các mạch trigger được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật xung như tạo các xung điều khiển trong các mạch tích phân, mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng hoặc mạch đếm xung phân tần. Ngoài ra, trong các thiết bị máy tính, các trigger còn được sử dụng làm các thiết bị nhớ, hoặc thực hiện các phép tính số học và logíc. B- THỰC HÀNH: Lắp mạch đa hài hai trạng thái ổn định I. Tổ chức thực hiện Lý thuyết dạy tập chung Thực hành theo nhóm (3 sinh viên/nhóm) II. Lập bảng vật tư thiết bị TT Thiết bị - Vật tư Thông số kỹ thuật Số lượng 1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/nhóm 2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1cái/nhóm 3 Bo mạch thí nghiệm Bo 2114 1mạch/nhóm 145 4 Dây nối Dây đơn 0,05mm X 25cm nhiều màu 20m/nhóm 5 Nguồn điện Điện áp vào 220ACV/2A Điện áp ra 0 -:- 30DCV 1bộ/nhóm III. Quy trình thực hiện TT Các bước công việc Phương pháp thao tác Dụng cụ thiết bị,vật tư Yêu cầu kỹ thuật 1 Chuẩn bị Kiểm tra dụng cụ Kiểm tra máy phát xung Kiểm tra máy hiện sóng Bo mạch thí nghiệm Bộ dụng cụ Máy phát xung Máy hiện sóng Bo mạch Sử dụng để đo các dạng xung, Khi đo xác định được chu kỳ, dạng xung, tần số 2 Kết nối mạch điện Dùng dây dẫn kết nối Dây kết nối Bo mạch Đúng sơ đồ nguyên lý 3 Cấp nguồn Nối dây đỏ với dương Dây đen với âm Bộ nguồn Bo mạch 12VDC Đúng cực tính 4 Đo kiểm tra Kết nối mạch với đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng Đúng điện áp 5 Báo cáo thực hành Viết trên giấy Bút, giấy Vẽ sơ đồ nguyên lý Vẽ sơ đồ lắp ráp Trình bày nguyên lý hoạt động Ghi các thông số đo được 146 IV. Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Nội dung Thang điểm 1 Kiến thức Vẽ được sơ đồ, trình bày nguyên lý làm việc, đặc điểm của mạch đa hài hai trạng thái ổn định 4 2 Kỹ năng Lắp được mạch điện đúng yêu cầu kỹ thuật Đo được các thông số cần thiết 4 3 Thái độ - An toàn lao động - Vệ sinh công nghiệp 2 PHƯƠNG PHÁP ĐẤU NỐI - Nối điểm d với điểm 2 để mắc tụ R2 = 10k vào mạch - Nối điểm 8 với điểm f để mắc tụ R1 = 10k vào mạch - Ta được sơ đồ mạch điện Trigger đối xứng kiểu RS - Nối điểm (+) mạch với với điểm (+) tại vị trí POWER INPUT 147 - Cấp nguồn một chiều vào bo mạch thí nghiệm tại vị trí POWER INPUT chú ý cấp đúng cực của nguồn điện - Cấp nguồn chạy thử mạch điện - Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp tại 2 điểm d và f - Kết nối 2 xung tới 2 điểm 4,6 bằng 2 công tắc. Mắc thêm 2 đèn LED tại 2 vị trí d,f. Cấp nguồn và cấp xung vào mạch với các trạng thái khác nhau. Quan sát hoạt động của mạch thông qua sự thay đổi sáng tối của đèn LED - Từ sự thay đổi của đèn LED rút ra nhận xét, kết luận về hoạt động của mạch điện - Chú ý an toàn lao động trong quá trình thực hành - Lắp mạch trigger Smith dùng transistor tương tự CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Nêu tên các loại mạch trigger. Phân tích hoạt động mạch trigger hình 13.1, 13.2 và 13.7. 2. Phân tích nguyên nhân sử dụng mạch trigger Smith ghép cực phát (E) trên hình 13.5. 3. Nêu các ứng dụng của mạch đa hài hai trạng thái ổn định. Bài 14 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 148 Mục tiêu của bài : Học xong bài này, học viên sẽ có khả năng Trình bày được tác dụng linh kiện và nguyên lý làm việc của mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định dùng trong lĩnh vực điện tử dân dụng Lắp ráp và cân chỉnh được mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ trong việc phân tích An toàn cho người và thiết bị Nội dung bài học: A. LÝ THUYẾT 14.1 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH DÙNG TRANSISTOR 14.1.1 Sơ đồ mạch điện Mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định còn có tên gọi là mạch đa hài đợi như hình 14.1. Hình 14.1. Mạch dao động đa hài đợi 14.1.2 Tác dụng linh kiện Thực chất mạch hình 14.1 là một trigger RS. Trong đó một trong các điện trở hồi tiếp dương được thay bằng một tụ điện (tụ C). RC là các điện trở cung cấp điện áp cho cực colectơ của T1, T2. R là điện trở cung cấp điện áp cho cực bazơ của T2 kiểu dòng IB cố định, R có giá trị sao cho T2 thông ( B2 B2I > I bão hoà) trong thời gian chưa có xung kích thích. 149 14.1.3 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của mạch điện được thể hiện bằng giản đồ thời gian như hình 14.2. Hình 14.2. Giản đồ điện áp – thời gian mạch điện Trạng thái ban đầu được xác định: T2 thông, T1 khoá nhờ điện trở R định thiên cho T2 thông. T2 thông bão hoà làm UCE2  UBE1 0 do đó T1 khoá. T2 thông, T1 khoá là trạng thái ổn định bền (gọi là trạng thái đợi). Lúc t = t0 có xung điện áp dương kích vào cực B của T1 làm mở T1. Khi đó xuất hiện đột biến lần thứ nhất, nếu thoả mãn điều kiện tự kích. Điện thế cực góp của T1 giảm từ +ECC xuống gần bằng 0. Bước nhảy điện thế này thông qua bộ lọc tần cao RC đặt toàn bộ đến cực bazơ của T2 làm điện áp ở đó đột biến từ mức thông (khoảng + 0,6V) đến mức – ECC + 0,6V  – ECC Do đó T2 bị khoá. Khi đó T1 được duy trì ở trạng thái thông do mạch hồi tiếp dương R1R2 ngay cả khi điện áp vào bằng 0. Tụ C (được mắc qua điện trở R đến điện thế +ECC) bắt đầu nạp điện cho điện thế cực gốc B của T2 biến đổi theo công thức:            B2 CC t U E 1 2exp RC (14.1) 150 Với điều kiện ban đầu:    B2 0 CCU t t E (14.2) Và điều kiện cuối là:    B2 CCU t E (14.3) T2 bị khoá cho tới khi t = t1. Khi UB2 đạt tới giá trị điện áp mở của UBE (UB2 = +0,6V). Khoảng thời gian này xác định từ điều kiện:   B2 1U t 0 Điều kiện trên quyết định độ dài của xung ra tx:    1 0 xt t t RCln2 0,7RC Sau thời gian t = t1, transistor T2 thông và quá trình hồi tiếp dương qua R1, R2 đưa mạch về lại trạng thái ban đầu (trạng thái T2 thông T1 tắt) gọi là quá trình đột biến lần thứ hai và hồi phục, đợi xung vào tiếp sau (t = t2). Chú ý: Những điều trình bày trên đúng với điều kiện:   v x xT t Trong đó: Tv là chu kỳ xung vào; tx là độ rộng xung ra; x là độ rộng xung vào. Khi điều kiện trên được thoả mãn thì ta luôn có chu kỳ xung ra bằng với chu kỳ xung vào v rT T 14.2 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH (ĐA HÀI ĐỢI) DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 14.2.1 Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý được minh hoạ trên hình 14.3 và giản đồ điện áp – thời gian trên hình 14.4. 151 Hình 14.3 Hình 14.4. Giản đồ điện áp – thời gian mạch dao động hình 14.3 14.2.2 Phân tích mạch điện IC thuật toán được cung cấp từ một nguồn điện áp đối xứng ±ECC. Khi đó:  r max r min maxU U U Ban đầu khi t < t1, Uv = 0; diode D thông nối mát (giả thiết điện trở thuận của diode Rth = 0). Do  r maxU U Từ đó:  N PU U 0 Qua mạch hồi tiếp dương R1 R2, điện áp –Umax đưa tới đầu vào P điện áp UP = –.Umax Trong đó:  là hệ số phân áp mạch hồi tiếp    1 1 2 R R R (14.4) Đây chính là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi) của mạch. Khi t = t1 có xung kích thích (xung nhọn cực tính dương) tới đầu vào P. Nếu biên độ thích hợp vượt hơn giá trị: UP  –.Umax (14.5) 152 Mạch điện lật sang trạng thái cân bằng không bền với:   r rmax maxU U U (14.6) Và qua mạch hồi tiếp dương có UP = –.Umax Sau thời điểm t1, điện áp ra maxU nạp cho tụ điện C làm cho điện áp trên tụ tăng C NU U dương dần cho tới khi t = t2; Khi UN = .Umax thì xảy ra đột biến do điện áp đầu vào vi mạch thuật toán C NU U đổi dấu làm cho điện áp ra đổi dấu lần thứ hai:  r maxU U (14.7) Trong khoảng thời gian (t1 – t2) giá trị:  N CU U 0 nên diode bị phân cực ngược và tách ra khỏi mạch. Sau thời điểm t2 tụ C phóng điện qua R hướng tới giá trị điện áp ra lúc đó là  maxU . Khi t = t3;  C NU U 0 diode lại mở, ghim mức điện áp đầu vào đảo ở giá trị 0, mạch lại quay về trạng thái đợi ban đầu chờ xung kích thích tác động lên đầu vào để lật trạng thái kết quả ta có dãy xung vuông ở đầu ra của mạch dao động đa hài đợi. 14.3 Phạm vi ứng dụng Các mạch dao động đa hài đợi được sử dụng để tạo ra các dãy xung vuông có tần số khác nhau hoặc sử dụng trong các mạch như một mạch rơle thời gian. B- THỰC HÀNH: Lắp mạch dao động đa hài một trạng thái ổn định I. Tổ chức thực hiện Lý thuyết dạy tập trung Thực hành theo nhóm (3 sinh viên/nhóm) II. Lập bảng vật tư thiết bị TT Thiết bị - Vật tư Thông số kỹ thuật Số lượng 153 1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/nhóm 2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1cái/nhóm 3 Bo mạch thí nghiệm Bo 2114 1mạch/nhóm 4 Dây nối Dây đơn 0,05mm X 25cm nhiều màu 20m/nhóm 5 Nguồn điện Điện áp vào 220ACV/2A Điện áp ra 0 -:- 30DCV 1bộ/nhóm III. Quy trình thực hiện TT Các bước công việc Phương pháp thao tác Dụng cụ thiết bị,vật tư Yêu cầu kỹ thuật 1 Chuẩn bị Kiểm tra dụng cụ Kiểm tra máy phát xung Kiểm tra máy hiện sóng Bo mạch thí nghiệm Bộ dụng cụ Máy phát xung Máy hiện sóng Bo mạch Sử dụng để đo các dạng xung, Khi đo xác định được chu kỳ, dạng xung, tần số 2 Kết nối mạch điện Dùng dây dẫn kết nối Dây kết nối Bo mạch Đúng sơ đồ nguyên lý 3 Cấp nguồn Nối dây đỏ với dương Dây đen với âm Bộ nguồn Bo mạch 12VDC Đúng cực tính 4 Đo kiểm tra Kết nối mạch với đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng Đúng điện áp 5 Báo cáo thực hành Viết trên giấy Bút, giấy Vẽ sơ đồ nguyên lý Vẽ sơ đồ lắp ráp 154 Trình bày nguyên lý hoạt động Ghi các thông số đo được IV. Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Nội dung Thang điểm 1 Kiến thức Vẽ được sơ đồ, trình bày nguyên lý làm việc, đặc điểm của mạch đa hài hai trạng thái ổn định 4 2 Kỹ năng Lắp được mạch điện đúng yêu cầu kỹ thuật Đo được các thông số cần thiết 4 3 Thái độ - An toàn lao động - Vệ sinh công nghiệp 2 BO MẠCH THÍ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐẤU NỐI 155 - Nối điểm d với điểm 1 để mắc tụ C2 = 0,1uF vào mạch - PHƯƠNG PHÁP ĐẤU NỐI - Nối điểm 8 với điểm f để mắc tụ R1 = 10k vào mạch - Nối điểm 4 với điểm e để mắc tụ R2 = 10k vào mạch - Kết nối điểm 3 với điểm 6 để được sơ đồ mạch điện dao động đa hài một trạng thái ổn định - Nối điểm (+) mạch với với điểm (+) tại vị trí POWER INPUT - Cấp nguồn một chiều vào bo mạch thí nghiệm tại vị trí POWER INPUT chú ý cấp đúng cực của nguồn điện - Cấp nguồn chạy thử mạch điện - Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp tại 2 điểm d và f - Bỏ kết nối giữa điểm d và 2. Kết nối điểm d với b, 3 với c ta thay thế được giá trị tụ C2 = 0,39uF. Sau khi thay giá trị của tụ C2 tiến hành dùng đồng hồ vạn năng đo lại điện áp tại các đầu ra điểm kiểm tra sự thay đổi trạng thái - Tương tự thay giá trị của tụ C1 = 0,39uF sau đó kiểm tra sự thay đổi trạng thái - Từ kết quả thu được sau khi thay đổi các linh kiện rút ra nhận xét, kết luận về hoạt động của mạch điện - Chú ý an toàn lao động khi thực hành CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Phân tích nguyên lý hoạt động mạch 14.1. Dựa trên cơ sở giản đồ thời gian hình 14.2 phân tích quá trình tạo xung ra của mạch 14.1. 2. Phân tích hoạt động mạch hình 14.3. 3. Tại sao nói mạch dao động đa hài đợi có thể sử dụng như một mạch rơle thời gian? 156 Bài 15 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI HAI TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH Mục tiêu của bài: Học xong bài này học, viên sẽ có khả năng - Trình bày được tác dụng linh kiện và nguyên lý làm việc của mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định dùng trong lĩnh vực điện tử dân dụng - Lắp ráp và cân chỉnh được mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định - Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ trong việc phân tích - An toàn cho người và thiết bị Nội dung bài học: A. LÝ THUYẾT 15.1 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI HAI TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH DÙNG TRANSISTOR 157 15.1.1 Sơ đồ mạch điện - Mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định còn gọi là mạch đa hài tự dao động. Mạch điện như hình 15.1. Hình 15.1. Mạch dao động đa hài Transistor T1 và T2 làm việc ở chế độ khoá như các khoá điện tử đóng ngắt mạch với tốc độ nhanh 10–10 – 10–6 s, do vậy điện áp đầu ra có hai trạng thái khác biệt. Lưu ý: Cần nâng cao tính tác động nhanh của khoá và ngăn ngừa hiện tượng bão hoà sâu của transistor. Nhận xét: Kết cấu mạch đối xứng gồm hai transistor T1 giống hệt T2, T1T2 cùng mắc EC và có hai vòng hồi tiếp dương qua hai bộ lọc tần số cao R1C1 và R2C2. Cực góp (cực C) của transistor này nối với cực gốc (cực B) transistor kia thông qua tụ C1 và C2. 15.1.2 Tác dụng linh kiện R1, R2: Định thiên kiểu dòng IB cố định cho T1, T2. RC1, RC2: Cung cấp điện áp một chiều cho cực C; đồng thời là tải của T1, T2. C1, C2: Các tụ thực hiện quá trình phóng hoặc nạp. T1, T2: Hai khoá điện tử sử dụng transistor mắc E chung. 15.1.3 Nguyên lý làm việc Giản đồ thời gian hình 15.2 minh họa nguyên lý làm việc của mạch dao động đa hài. 158 Hình 15.2. Giản đồ thời gian mạch đa hài tự dao động a) Thiết lập trạng thái Trong thời gian t0  t1. T1 và T2 có cùng định thiên nhưng thực tế do công nghệ chế tạo không thể đối xứng lý tưởng (đặc biệt là đối với điện trở và các linh kiện khác) độ thông của T1 và T2 khác nhau do đó quá trình thiết lập trạng thái có tính chất đột biến (xảy ra rất nhanh), dẫn đến một transistor tắt, một transistor thông bão hoà. b) Trạng thái cân bằng I (T1 tắt, T2 thông) Ura1 ≈ +E Độ rộng xung ra ur1 = t2  t1 Ur2 ≈ 0 C2 nạp: +ECC đến RC1 đến C2 đến RBE T2 đến – ECC Điện áp UB của T2 biến đổi UC2↑ đến UB(T2)↓ dẫn đến T2 bớt thông cho đến khi T2 tắt hẳn, khi đó C1 phóng điện. C1 phóng: +C1 đến RCE T2 đến ECC đến R1 đến -C2, điện áp trên C1 (phiến phải) bớt âm dần, dẫn đến lúc t = t1. T1 thông bão hoà. Kết quả: T1 thông bão hoà, T2 tắt. Trạng thái II được thiết lập. c) Trạng thái cân bằng II (T1 thông, T2 tắt) Độ rộng xung ra ụ2 = t3  t2 Ur1 ≈ 0 Ur2 ≈ +ECC C1 nạp: +E đến RC2 đến C1 đến RBET1 đến –ECC = 0V Điện áp trên cực góp của T1 tăng (UC1↑) đến UBT1↓ đến T1 bớt thông dẫn đến lúc t = t2. T1 tắt hẳn. Cùng thời gian C1 nạp thì C2 phóng điện, đường phóng của C2 như sau: +C2 đến RCET1 đến ECC đến R2 đến – C2. Vòng hồi tiếp dương dẫn đến kết quả: T1 tắt, T2 thông quay về trạng thái I, mạch tiếp tục thực hiện một chu kỳ mới. Như vậy: Cả hai trạng thái cân bằng đều không bền do tụ C1, C2 liên tục nạp rồi phóng làm cho mạch chuyển đổi trạng thái. Tại các đầu ra Ur1 và Ur2 ta nhận được hai dãy xung vuông ngược pha nhau. d) Tính tần số xung ra 159 Ta có: ur1 = C1.R1.ln2 (15.1) ur1 = 0,69.C1.R1 (15.2) ur2 = 0,69.C2.R2 (15.3) Chu kỳ xung: T = ur1 + ur2 (15.4) Tần số xung: f = 1/ 0,69.( ur1 + ur2) (15.5) Nếu chọn đối xứng: C1 = C2 = C, R1 = R2 = R Ta nhận được mạch đa hài đối xứng. Dãy xung vuông ở hai đầu ra có tần số: f = 1 1,38.R.C (15.6) Trong trường hợp (ur1 ≠ ur2) ta có đa hài không đối xứng. Chú ý: Thực tế để tạo ra các xung có f hạn chế, với f < 100Hz, các tụ C1, C2 phải có điện dung lớn. Khi f > 10 kHz phải chú ý đến tần số cắt của transistor. Biên độ xung ra được xác định gần đúng bằng giá trị nguồn ECC cung cấp khi không tải. Để khắc phục hạn chế về tần số, người ta đưa ra các sơ đồ mạch đa hài dùng IC tuyến tính. 15.2 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI TỰ DAO ĐỘNG DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 15.2.1 Sơ đồ mạch điện Sơ đồ mạch dao động đa hài sử dụng mạch thuật toán được trình bày trên hình 15.3. Hình 15.3. Mạch dao động đa hài tự dao động sử dụng mạch thuật 160 toán 15.2.2 Phân tích mạch điện Để thiết lập các xung vuông tần số thấp hơn 1000Hz sơ đồ đa hài (đối xứng hay không đối xứng), sử dụng IC tuyến tính dựa trên cấu trúc một mạch so sánh hồi tiếp dương, có nhiều ưu điểm hơn so với sơ đồ sử dụng transistor đã nêu trên. Tuy vậy, do tính chất tần số của IC khá tốt nên với tần số cao hơn, việc sử dụng sơ đồ mạch dao động với IC vẫn mang nhiều ưu điểm (xét với tham số của xung ra). – Giản đồ thời gian hình 15.4 giải thích hoạt động của sơ đồ hình 15.3. Hình 15.4. Giản đồ thời gian mạch hình 15.3 Khi điện thế đầu vào đạt giá trị ngưỡng của trigger Smith thì sơ đồ chuyển trạng thái và điện áp ra lật ngược lại với giá trị cũ. Sau đó điện thế đầu vào N thay đổi theo hướng ngược lại cho đến khi chưa đạt được ngưỡng lật khác (trong khoảng t1  t2). Sơ đồ trở về trạng thái ban đầu vào thời điểm t2, khi: NU = Uđóng =  maxU Quá trình thay đổi UN được điều khiển bởi thời gian phóng hoặc nạp của tụ điện C và điện áp đầu ra hồi tiếp qua R. Nếu chọn:   r max r min maxU U U Thì: 161 Uđóng =  maxU Ungắt =  maxU Với:    1 1 2 R R R Là hệ số hồi tiếp dương của mạch. Lưu ý: Điện áp vào cửa N chính là điện áp trên tụ C, sẽ biến thiên theo thời gian mang quy luật quá trình phóng điện tới  maxU hay nạp điện tới maxU của tụ C từ nguồn thông qua điện trở hồi tiếp R trong các khoảng thời gian từ 0  t1 và t1  t2. Khi đó phương trình vi phân để xác định UN(t) có dạng:   N max N dU U U dt RC (15.7) Với điều kiện đầu: NU (t 0) = Uđóng =  maxU Có nghiệm: NU (t) =               max t U 1 1 exp RC (15.8) UN sẽ đạt tới ngưỡng lật sau một khoảng thời gian bằng:             1 2 2R1 RCln RCln 1 1 R (15.9) Từ đó, chu kỳ của dao động được xác định bởi:          1 r 2 2R T 2 2RCln 1 R (15.10) Nếu chọn: R1 = R2 Thì: Tr  2,2RC (15.11) Tức là chu kỳ dao động tạo ra chỉ phụ thuộc các thông số mạch ngoài R1, R2 (mạch hồi tiếp dương) và R, C (mạch hồi tiếp âm) các hệ thức 15.9 và 15.10 cho biết các tham số cơ bản nhất của mạch dao động. Khi cần thiết kế các mạch đa hài có độ ổn định tần số cao hơn và có khả năng điều chỉnh tần số ra, người ta sử dụng mạch phức tạp hơn (với mạch cần có hai bộ so sánh). 162 Hình 15.5. Mạch dao động đa hài không đối xứng Giản đồ mô tả điện áp ra của mạch hình 15.5 có dạng như hình 15.6 sau: Hình 15.6. Giản đồ dạng xung ra mạch hình 15.5 khi chọn R' < R'' Sơ đồ hình 15.5 được sử dụng với đặc điểm tạo ra sự không đối xứng trong mạch phóng (qua R’’, D2) và qua mạch nạp (qua R’, D1) với R’’  R’ Khi đó:         1 1 2 2R R'Cln 1 R (15.12)         1 2 2 2R R''Cln 1 R (15.13) Do đó:               1 1 2 2 2R T C R' R'' ln 1 R (15.14) 163 Như hình 15.5 trên, bằng cách thay đổi giá trị tương quan giữa R’ và R’’ ta sẽ thay đổi được 1 hoặc 2 trong khi chu kỳ T được tính:    1 2T được giữ nguyên không đổi. Các diode D1, D2 có nhiệm vụ khoá nhánh tương ứng khi nhánh kia làm việc hoặc ngược lại. 15.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG Các mạch dao động đa hài tự dao động được sử dụng để tạo ra các dãy xung vuông. BO MẠCH THÍ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐẤU NỐI - Nối điểm d với điểm 1 để mắc tụ C2 = 0,1uF vào mạch - Nối điểm 7 với điểm f để mắc tụ C1 = 0,1uF vào mạch - Kết nối điểm 3 với điểm 6 và điểm 5 với điểm 4 để được sơ đồ mạch điện dao động đa hài không ổn dùng transistor - Nối điểm (+) mạch với với điểm (+) tại vị trí POWER INPUT - Cấp nguồn một chiều vào bo mạch thí nghiệm tại vị trí POWER INPUT chú ý cấp đúng cực của nguồn điện - Cấp nguồn chạy thử mạch điện 164 - Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp tại 2 điểm d và f - Bỏ kết nối giữa điểm d và 2. Kết nối điểm d với b, 3 với c ta thay thế được giá trị tụ C2 = 0,39uF. Sau khi thay giá trị của tụ C2 tiến hành dùng đồng hồ vạn năng đo lại điện áp tại các đầu ra điểm kiểm tra sự thay đổi trạng thái - Tương tự thay giá trị của tụ C1 = 0,39uF sau đó kiểm tra sự thay đổi trạng thái CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Hãy vẽ mạch điện và phân tích quá trình tạo xung ở đầu ra của mạch dao động đa hài. 2. Nêu điều kiện thực hiện dao động đa hài. 3. Chứng minh công thức tính tần số mạch dao động đa hài tự dao động. Tần số ra của mạch dao động đa hài phụ thuộc vào những tham số nào của mạch điện? 4. Phân tích những ưu điểm của mạch dao động đa hài sử dụng IC so với mạch dao động đa hài sử dụng transistor. 5. Hãy nêu những ứng dụng của mạch dao động đa hài trong thực tế. Bài 16 MẠCH DAO ĐỘNG NGHẸT (BLOCKING) Mục tiêu của bài: Học xong bài này, học viên sẽ có khả năng - Trình bày được đặc điểm, các chế độ làm việc của mạch dao động nghẹt 165 - Trình bày được tác dụng linh kiện và nguyên lý làm việc của mạch dao động nghẹt dùng trong lĩnh vực điện tử dân dụng - Lắp ráp và cân chỉnh được mạch dao động nghẹt - Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ trong việc phân tích - An toàn cho người và thiết bị. Nội dung bài học: A. LÝ THUYẾT 16.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH DAO ĐỘNG NGHẸT – Đặc điểm: Dao động nghẹt là một mạch dao động tạo xung có độ rộng xung hẹp, sườn xung dốc và biên độ xung lớn. – Độ rộng xung ra của mạch dao động nghẹt vào khoảng:  3 610 10 s – Cấu trúc mạch dao động nghẹt (hình 16.1) là một mạch khuếch đại có hồi tiếp dương sâu, thông qua biến áp xung dùng lõi sắt không bão hoà hoặc lõi ferít có đặc tính từ trễ vuông góc. 16.2 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH DAO ĐỘNG NGHẸT Tương tự như các loại dao động xung khác, mạch dao động nghẹt có thể làm việc ở các chế độ sau: – Chế độ tự dao động; – Chế độ đợi; – Chế độ đồng bộ; – Chế độ chia tần. Trong phần sau ta sẽ khảo sát mạch dao động nghẹt cực phát chung sử dụng transistor lưỡng cực (BJT). 16.3 MẠCH DAO ĐỘNG NGHẸT CỰC PHÁT CHUNG 16.3.1 Sơ đồ mạch điện Sơ đồ mạch dao động nghẹt được trình bày trên hình 16.1. 166 Hình 16.1. Mạch dao động nghẹt (Blocking) 16.3.2 Tác dụng linh kiện Tụ C và điện trở R: Hạn chế dòng điện IB (điện trở R tạo dòng phóng điện cho tụ C khi transistor T khoá). Diode D1: Loại xung cực tính âm trên tải sinh ra khi transistor chuyển từ chế độ mở sang khoá. R1, D2: bảo vệ transistor khỏi bị quá áp. Biến áp xung bao gồm: K là cuộn sơ cấp biến áp; B ,t là các cuộn dây thứ cấp. Với các hệ số biến áp xung nB và nt được xác định:    K B B n (16.1)    K t t n (16.2) 16.3.3 Nguyên lý làm việc của mạch dao động nghẹt Quá trình dao động xung liên quan đến thời gian mở và được duy trì ở trạng thái bão hoà (nhờ mạch hồi tiếp dương) của transistor. Kết thúc quá trình tạo xung là lúc transistor ra khỏi trạng thái bão hoà và chuyển đổi đột biến về trạng thái tắt (khoá) nhờ hồi tiếp dương. Giản đồ thời gian minh hoạ nguyên lý hoạt động của mạch dao động nghẹt như hình 16.2. 167 Hình 16.2. Giản đồ thời gian mạch dao động nghẹt 16.1 + Trong khoảng thời gian 0 < t < t1: T tắt do điện áp đã nạp trên tụ C: UC> 0  tụ C phóng điện qua mạch theo đường phóng:     B CC R R EB Tại thời điểm t1, UC = 0. + Trong khoảng t1 < t < t2, khi UC chuyển qua giá trị 0 xuất hiện quá trình đột biến Blocking thuận nhờ hồi tiếp dương qua B , dẫn tới transistor T bão hoà. + Trong khoảng t2 < t < t3 transistor T bão hoà sâu, điện áp trên cuộn K gần bằng trị số EC, đó là giai đoạn tạo đỉnh xung, có sự tích luỹ năng lượng từ trường trong các cuộn dây của biến áp, tương ứng điện áp hồi tiếp qua B là:   CC B B E U n (16.3) Và điện áp trên cuộn tải t là:   CC t t E U n (16.4) Lúc này tốc độ thay đổi dòng colectơ giảm nhỏ nên sức điện động cảm ứng trên B và K giảm làm dòng điện bazơ IB giảm theo, do đó giảm mức bão hoà của T đồng thời tụ C được IB nạp qua mạch: + ECC (đất) đ tiếp giáp emittơ – bazơ đ R đ C đ B đ + ECC (đất). Lúc đó, do IB giảm tới trị số tới hạn: IB = IB bão hoà = I bão hoà/ Xuất hiện quá trình hồi tiếp dương theo hướng ngược lại (còn gọi là quá trình Blocking ngược). Trong quá trình này, transistor T thoát khỏi trạng thái bão hoà nên: IC giảm dẫn đến IB giảm, dần dần đưa transistor T về trạng thái khoá dòng IC = 0. Tuy nhiên, do quán tính của cuộn dây K trên cực góp (cực C), làm xuất hiện suất điện động tự cảm chống lại sự giảm đột ngột của dòng điện, do đó hình 168 thành một điện áp âm biên độ lớn (quá giá trị nguồn ECC): đây là quá trình giải phóng năng lượng từ trường đã tích luỹ từ trước. Nhờ dòng thuận từ chảy qua mạch D2R1 lúc này cuộn t cảm ứng điện áp âm làm diode D1 tắt và tách mạch tải khỏi sơ đồ. Sau đó tụ C phóng điện, duy trì khoá T cho tới khi UC = 0 sẽ lặp lai một nhịp làm việc mới Độ rộng xung Blocking được tính:           t x 3 1 v B t v .R t t t R r .Cln n R r (16.5) Trong đó: rv là điện trở vào của transistor T lúc mở;  2t t tR n .R là tải phản ánh về mạch cực colectơ (mạch sơ cấp).  là hệ số khuếch đại dòng tĩnh của T. Thời gian hồi phục t4  t6 do thời gian phóng điện của tụ quyết định và được xác định bởi:          hph 6 4 B B 1 t t t C.R ln 1 n (16.6) Nếu coi thời gian tạo sườn trước và sườn sau của xung là không đáng kể, và bỏ qua thì chu kỳ xung được tính bằng:  x x hphT t t (16.7) Dãy xung tạo ra của dao động nghẹt có tần số là:  x hph 1 f t t (16.8) Chú ý: Sơ đồ Blocking có thể xây dựng từ hai transistor mắc đẩy – kéo làm việc với một biến áp xung bão hoà từ, tạo ra các xung vuông với hiệu suất năng lượng cao và chất lượng tham số xung tốt. Ngoài ra, cần lưu ý là khi làm việc ở chế độ đồng bộ (thêm đường nét đứt trên hình 16.1) cần chọn chu kỳ của dãy xung đồng bộ Tv nhỏ hơn chu kỳ của Tx của dãy xung do mạch Blocking tạo ra. Nếu ở chế độ chia tần, thì cần tuân theo các điều kiện: x vT T Và khi đó có dãy xung đầu ra chu kỳ lặp là: r vT nT (16.9) Như hình 16.3a và b với n là hệ số chia 169 Hình 16.3a. Giản đồ thời gian mạch Blocking ở chế độ chia tần Tx > Tv; Tr = 4Tv. Hình 16.3b. Giản đồ thời gian mạch Blocking ở chế độ chia tần Tx >> Tv; Tr = n Tv. với n = 4 16.4 PHẠM VI ỨNG DỤNG Mạch dao động nghẹt (Blocking) được sử dụng để tạo xung trong các mạch ổn áp xung hay tạo xung có biên độ lớn trong điều khiển hệ thống số. 170 B- THỰC HÀNH: Lắp mạch dao động động nghẹt (Blocking) V. Tổ chức thực hiện Lý thuyết dạy tập trung Thực hành theo nhóm (3 sinh viên/nhóm) VI. Lập bảng vật tư thiết bị TT Thiết bị - Vật tư Thông số kỹ thuật Số lượng 1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/nhóm 2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1cái/nhóm 3 Bo mạch thí nghiệm động nghẹt (Blocking) Bo 2111 1mạch/nhóm 4 Dây nối Dây đơn 0,05mm X 25cm nhiều màu 20m/nhóm 5 Nguồn điện Điện áp vào 220ACV/2A Điện áp ra 0 -:- 30DCV 1bộ/nhóm VII. Quy trình thực hiện TT Các bước công việc Phương pháp thao tác Dụng cụ thiết bị,vật tư Yêu cầu kỹ thuật 1 Chuẩn bị Kiểm tra dụng cụ Kiểm tra máy phát xung Kiểm tra máy hiện sóng Bộ dụng cụ Máy phát xung Máy hiện sóng Bo mạch Sử dụng để đo các dạng xung, Khi đo xác định được chu kỳ, dạng xung, tần số 171 Bo mạch thí nghiệm 2 Kết nối mạch điện Dùng dây dẫn kết nối Dây kết nối Bo mạch Đúng sơ đồ nguyên lý 3 Cấp nguồn Nối dây đỏ với dương Dây đen với âm Bộ nguồn Bo mạch 12VDC Đúng cực tính 4 Đo kiểm tra Kết nối mạch với đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng Đúng điện áp 5 Báo cáo thực hành Viết trên giấy Bút, giấy Vẽ sơ đồ nguyên lý Vẽ sơ đồ lắp ráp Trình bày nguyên lý hoạt động Ghi các thông số đo được VIII. Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Nội dung Thang điểm 1 Kiến thức Trình bày được nguyên lý mạch động nghẹt (Blocking) Trình bày được quy trình thực hành 4 2 Kỹ năng Lắp được mạch điện đúng yêu cầu kỹ thuật Đo được các thông số cần thiết 4 3 Thái độ - An toàn lao động 2 172 - Vệ sinh công nghiệp CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày đặc điểm, cấu trúc mạch dao động nghẹt. 2. Nêu các chế độ làm việc của mạch dao động nghẹt. 3. Phân tích hoạt động mạch hình 16.1. 4. Phân tích hoạt động mạch dao động nghẹt mắc cực gốc chung hình 16.4.