Kỹ thuật xung

RR R + =Vx (do mạch phân áp) VC2 = VCEsat ≈ 0,2V Như vậy biên độ xung vuông dương cho T1 tạo ra là: V01 =Vx – 0,2V ≈ Vx Biên độ xung vuông âm do T2 tạo ra là: -Vcc +Vcc 0V tx Nạp điện Xả điện t Hình 3.13: Đường xả và nạp điện trên tụ C VC t VC t tx tx Hình 3.14: Thời gian hồi phục Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 40 V02 =Vx – 0,2V ≈ VCC * Thời gian hồi phục : Theo sơ đồ mạch đơn ổn cơ bản: trạng thái ổn định là trạng thái T1 bão hòa, ngưng dẫn, trạng thái tạo xung là trạng thái T1 ngưng, T2 bão hòa. Sau khi song thời gian tạo xung tx thì T2 sẽ trở lại trạng thái ngưng dẫn. Trong thực tế mạch chưa trở lại trạng thái ổn định ngay vì lúc đó tụ C lại nạp điện qua RC2 làm VC2 tăng lên theo hàm số mũ chứ không tăng tức thời như hình vuông. Thời gian này được gọi là thời gian hồi phục th Hằng số thời gian nạp của tụ là: τnạp = RC2 . C Tụ nạp đầy trong thời gian 5τ nhưng thường chỉ tính : Th ≈ 4τnạp = 4RC2 .C * Thời gian phân cách: Do có thời gian hồi phục th để mạch đơn ổn trở lại trạng thái ổn định nên nếu tín hiệu xung kích ở ngõ vào là nhũng tín hiệu liên tiếp nhau có tần số xung kích fi chu kỳ xung kích Ti thì chu kỳ Ti phải thỏa điều kiện là: Ti > tx + th Điều kiện này có nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai xung kích phải lớn hơn độ rộng và thời gian hồi phục th thời gian tx = th gọi là thời gian phân cách tf. Ta có: Ti >tf với tf = tx + th 3.4.3. Các mạch đơn ổn cải tiến . a. Mạch đơn ổn dùng 1 nguồn. Trong các mạch đơn giản người ta có thể không dùng nguồn –VBB và điện trở RB được nối mass – lúc đó RB được chọn lại với trị số khác. Trường hợp này mạch có khả năng chống nhiễu kém… Sơ đồ mạch đơn ổn hình 3.15, ngõ vào là mạch vi phân Ri-Ci để đổi xung vuông ra hai xung nhọn và diod D chỉ nhận xung nhọn âm đưa vào cực B1. b. Mạch đơn ổn có xung kích vào cực C2. Ở trạng thái ổn định T1 bảo hòa T2 ngưng, tụ nạp điện có điện áp như hình vẽ (hình 3.16). Khi có xung nhọn âm làm diod D được phân cực thuận thì tụ C có chân nạp +VCC Vi RC2 RB RB1 RB2 Ri RC1 C Ci T2 T1 Hình 3.15: Mạch đơn ổn dùng 1 nguồn +VCC Vi RC2 RB1 RB2 RC1 RB Ri C C Hình 3.16. Mạch đơn ổn có xung kích vào cực C2. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 41 điện áp dương nối mass nên chân nạp điện áp âm sẽ làm phân cực ngược cực B1 và T1 ngưng dẫn. Lúc đó, VC1 tăng cao làm T2 tăng được phân cực bão hòa và VC2 ≈ 0,2V nên tụ C tiếp tục xả điện qua RB1 và mạch sẽ duy trì trạng thái T1 ngưng, T2 bảo hòa cho đến khi tụ xả xong. Sau thời gian tạo xung tx tì mạch lại trở về trạng thái ổn định. c. Mạch đơn ổn dùng tụ gia tốc . Để chuyển nhanh trạng thái của T2 từ ngưng dẫn sang bão hòa khi có xung kích âm vào cực B1. Ta có thể dùng tụ tốc Cj ghép song song RB2. Khi có xung kích âm vào cực B1, transistor T1 đang bão hòa chuyển sang ngưng làm VC1 tăng ở trạng thái chuyển tiếp tụ Cj coi như nối tắt nên điện áp VC1 phân cực nhanh cho cực B2 làm T2 bão hòa nhanh. Điều này có tác dụng làm xung vuông ra ở cực C2 có cạnh xuống được thẳng đứng, sửa lại độ dốc trước xung ra (hình 3.17). d. Dùng diode cách ly sửa độ dốc sau. Trong phần các thông số của mạch đơn ổn có xét đến thời gian hồi phục th của xung ra trên cực C2 là do tụ c nạp điện qua điện trở R2 làm điện áp VC2 tăng chậm,độ dốc sau của xung dài ra. Để đảm bảo thời gian hồi phục ở ngõ ra, làm độ dốc sau được thẳng đứng người ta dùng thêm diode D và điện trở RD (hình 3.18). Khi T2 ngưng, điện áp VC2 làm phân cực ngược diode D và tụ C chỉ nạp điện qua RD nên điện áp VC2 tăng nhanh. Điều cần lưu ý trong mạch này là khi T2 bão hòa, VC2 giảm nên diod D được phân cực thuận, điện trở ở cực C2 là RC 2 song song RD Thường chọn : RC2 = RD = 2.RC1. e. Dùng diod cách ly bảo vệ mối nối BE1 . Khi mạch vi phân cho ra xung nhọn âm làm phân cực diod Di đưa đến T1 ngưng dẫn, T2 bão hòa. Lúc đó tụ C sẽ xả điện và điện áp đang nạp trên tụ đưa vào cực B1 với trị số khoảng VCC, điện áp này có thể làm hư mối nối BE1 vì điện áp đánh thủng mối nối BE ( BVEBO ) thường có trị số không cao ( khoảng vài volt) Để tránh hiện tượng trên người ta đặt thên 1 diod giữa tụ C và cực B1như hình vẽ. Khi tụ xả điện thì diode D sẽ chịu điện áp ngược thay cho mối nối BE mà điện áp ngược của diod thường cao nên diod không bị hư (hình 3.19). +VCC Vi RC2RC1 1 2 Ri RB1 C C Hình 3.17 Dùng tụ gia tốc Cj . +VCC Vi RB1 RC2RC1 RB2 Ri 1C C D R Hình 3.18. Dùng diode cách ly D Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 42 3.4.4. Bài tập áp dụng . Thiết kế mạch đa hài đơn ổn theo các yêu cầu và thông số kỹ thuật sau: -Nguồn VCC = 12V, transistor có β = 100, dòng tải IC =10mA độ rộng xung tx = 2 giây * Tính điện trở tải RC1 = RC2 : Khi transistor dẫn bão hòa ta có: VCEsat ≈ 0,2V Suy ra: RC1 = RC2 = C CEsatCC I VV − = mA VV 10 2,012 − ≈ 1,2KΩ * Tính điện trở phân cực RB1 = RB2: Để transistor dẫn bão hòa thường chọn hệ số bão hòa sâu là K = 3. Ta có : IB = β CIK = mAmA 3,0 100 10.3 = Điện trở RB dược tính với mức điện áp phân cực bão hòa là VBEsat = 0,8V . RB1 = RB2 = B EsatCC I VV B− = 37 3,0 8,012 =− mA VV KΩ Chọn trị số tiêu chuẩn là: RB = 39KΩ. * Tính trị số tụ C : Theo yêu cầu độ rộng xung là tx =2 giây Ta có : tx = 0,69.RB.C Suy ra : C = F R t B x µ≈= 75 10.39.69,0 2 .69,0 3 Trong mạch này không yêu cầu thiết kế mạch vi phân. Muốn tính trị số R và C của mạch vi phân phải biết tần số hay độ rộng của xung vuông fi. Điều kiện của mạch vi phân là R.C << ifπ2 1 . (Xem lại chương 1) +VCC Vi Ri RB2 RB1RC1 RC2 C C Hình 3.19. Diode bảo vệ mối nối BE1 D +12 39K 39K 12K 12K 75 Hình 3.20. Mạch thiết kế. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 43 3.5. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI PHI ỔN. 3.5.1 Giới thiệu . Mạch đa hài lưỡng ổn có hai trạng thái ổn định, muốn đổi trạng thái của mạch từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác thì phải có xung kích từ bên ngoài. Mạch đa hài đơn ổn có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định trạng thái không ổn định chính là trạng thái tạo xung. Bình thường, mạch đơn ổn sẽ ở trạng thái ổn định, muốn tạo xung thì phải có xung kích từ bên ngoài. Mạch đa hài phi ổn khác với hai mạch trên, mạch đơn ổn sẽ tạo ra sóng vuông liên tục mà không cần xung kích bên ngoài. Mạch đa hài phi ổn hoạt động theo đúng nguyên lý của mạch dao động là loại mạch tự phát sinh tín hiệu mà không cần tín hiệu điều khiển ở ngỏ vào. 3.5.2. Mạch đa hài phi ổn cơ bản. a.Sơ đồ Thông thường, mạch đa hài phi ổn là mạch đối xứng nên hai Transistor có cùng tên và các linh kiện điện trở, tụ điện có cùng trị số. b.Nguyên lý hoạt động : Tuy là hai Transistor cùng tên, các linh kiện cùng trị số nhưng không thể giống nhau một cách tuyệt đối. Điều này sẽ làm cho hai Transistor mạch dẫn điện không bằng nhau, khi mở điện sẽ có một Transisitor dẫn điện mạnh hơn và một Transisitor dẫn điện yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương từ cực C2 về cực B1 và từ cực C1 về cực B2 sẽ làm cho Transistor dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, Transistor 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 T1 tiến đến bão hòa. Khi T1 bão hòa, dòng IC1 tăng cao và VC 1 ≈ VCE sat ≈ 0,2V,tụ C2 xả điện qua RB2 và qua T1. Khi tụ C2 xã điện, điện áp âm trên tụ C2 đưa vào cực B2 làm T2 ngưng ( hình 3.21) Thời gian ngưng dẫn của T2 chính là thới gian tụ C2 xả điện qua RB2. Sau khi tụ C2 xả song, cực B2 lại được phân cực nhờ RB2 nên T2 dẫn bão hòa làm VC2 =VCE sat ≈ o,2V. điều 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 hòa nhanh. Thời gian ngưng dẫn của T1 chính là thời gian tụ CC1 xả điện qua RB1. Sau khi tụ C1 xả điện xong, cực B1lại được phân cực nhờ RB1 nên T1 trở lại trạng thái dẫn bão hòa như trạng thái gỉa thiết ban đầu. Hiện tượng này được lặp lại tuần hoàn . c. Dạng sóng ở các chân: Xét cực B1 khi T1 bão hòa 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 hòa VC1 ≈ 0,2V, khi T1 ngưng VC1 ≈ +VCC . Dạng sóng raở cực C là dạng sóng vuông. Hình 3.23. Tương tự khi xét cực B2 và cực C2 .Dạng sóng ở hai cực này cùng dạng với dạng sóng ở cực B1 và C, nhưng đảo pha nhau. Chu kỳ của tín hiệu hình vuông là: Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 44 T= t1+t2. Trong đó: • t1 là thờigian tụ C1 xả điện qua RB1 từ điện áp –VCC lên nguồn +VCC nên điện áp tức thời của tụ ( lấy mức –VCC làm gốc ) là: VC1(t) = 2VCC. 11 1 .CR t Be − Thời gian để tụ C1 xả qua RB1 từ –VCC lên 0V cho bởi công thức: VCC = 2VCC. 11 1 .CR t Be − Suy ra: 11 1 .CR t Be − = 2 ⇒ 2 1 1 Ln R t B = ⇒ t1 = RB1 .C1 Ln2 ≈ 0,69RB1.C1 Tương tự, thời gian t2 để tụ C2 xả điện qua RB2 từ –VCC lên 0V là: t2 ≈ 0,69RB2.C2 Chu kỳ dao động là: T= t1+t2 = 0,69 ( RB1.C1 + RB2.C2 ) Trong mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có : RB1 = RB2= RB C1 = C2 = C Chu kỳ dao động là: T = 2 x 0,69RB.C = 1,4 RB.C Tần số của xung vuông là: )..(69,0 11 2211 CRCRT f BB + == Nếu là mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có : CRT f B .4,1 11 == d. Thiết kế mạch : Thiết kế mạch đa hài phi ổn theo các thông số kỹ thuật sau VCC = 12V, dòng điện tải qua cực là IL = 10mA transistor có β =100 tần số dao động là f = 1000 Hz. Bài giải Mạch đa hài phi ổn là loại đối xứng có sơ đồ như mạch đa hài cơ bản ( hình 3.21 và hình 3.22) -Tính điện trở RC : Khi transistor chạy bão hòa sẽ có: VC =VCEsat ≈ 0,2V IC = IL = 10mA Điện trở RC được tính theo công thức: RC = C CEsatCC I VV − = Ω≈− K VV mA 2,1 10 2,012 -Tính điện trở RB Để transistor chạy bão hòa sâu thường chọn hệ số bão hòa sâu là K = 3. 0,8v VB1 t VC1 -Vcc +Vcc t t1 C1 xả VB2 t VC2 -Vcc +Vcc t C1 xả t2 Hình 3. 23. Dạng sóng ở các chân. 0,8v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 45 Ta có : IB = β CIK = mAmA 3,0 100 10.3 = . Điện áp phân cực cho transistor chạy bão hòa là VB = VBEsat = 0,8V. RB1 = RB2 = B EsatCC I VV B− = 37 3,0 8,012 =− mA VV KΩ. Chọn trị số tiêu chuẩn là: RB = 39KΩ. -Tính trị số tụ C: Từ công tính thức tần số của mạch đa hài phi ổn đối xứng là: CR f B .4,1 1= Suy ra: F fR C B µ=== 018,0 10.10.39.4,1 1 .4,1 1 33 3.5.3. Mạch phi ổn thay đổi tần số : a. Sơ đồ mạch Từ công thức tính tần số của mạch đa hài phi ổn định cho thấy tần số dao động có thể thay đổi bằng cách thay đổi trị số điện trở RB hay thay đổ giá trị tụ điện C. Thông thường người ta dùng biến trở VR để thay trị số RB như hình 3.23. b. Nguyên lý hoạt động: Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai transistor. 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 transistor vẫn phải ở trạng thái bão hòa. Khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm thay đổi trị số điện trở RB1 và RB2 trong khoảng : RB1max =R1 + VR hay RB2min = R2 + VR RB1min = R1 hay RB2min = R2 Giới hạn trên sẽ cho ra khoảng tần số mà mạch dao động có thể cho ra được. c. Thiết kế mạch : 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: *. 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 : HzHzHzfff 1000 2 1500500 2 maxmin =+=+= *. Với tần số không đổi là f = 1000Hz bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch đa hài phi ổn cơ bản như trên và ta đã có đã có kết quả: RC = RC1= RC2 = 1,2KΩ RB = RB1= RB2 = 39KΩ C = C1 = C2 =0,018µF *. Sau khi có kết quả trên ta giữ trị số tụ C không đổi và thay trị số điện trở RB để thay đổi tần số f. Ta có: CR f B .4,1 1= Suy ra: Cf RB .4,1 1= Trị số RB tỉ lệ nghịch với tần số f nên ta có hai trường hợp : - Tần số làfmin khi RBmax. - Tần số làfmax khi RBmin. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 46 * Tính trị số điện trở RB. Ω=== − KCfRB 8010.018,0.500.4,1 1 4,1 1 6 min max . Ω=== − KCfRB 8010.018,0.500.4,1 1 4,1 1 6 min max Ω=== − KCfRB 2710.018,0.1500.4,1 1 4,1 1 6 max min . Trong phần nguyên lý ta có: RBmin = R1= R2 = 27kΩ RBmax = R1 + VR = R2 + VR = 80KΩ VR = RBmax - RBmin = 80KΩ - 27kΩ = 53KΩ Chọn biến trở VR = 50KΩ theo tiêu chuẩn. Sơ đồ mạch hình 5.24 là mạch đa hài phi ổn thay đổi tần số được thiết kế. * Kiểm tra điều kiện bão hòa. Điều kiện của mạch đa hài phi ổn la khi dẫn điện phải ở trạng thái bão hòa. Khi thay đổi biến trở VR sẽ làm thay đổi RB vàdòng điện IB nên cần kiểm tra lại trạng thái dẫn của transistor khi có RBmax. Ta có : mA KR VV I VV B BEsatCC B 14,080 8,012 max max =Ω −=−= Do dòng điện IC = 10 với β =100 thì ở trạng thái khuếch đại ta có: mAmAII CB 1,0100 10 ==β= Dòng điện IBmin = 0,14mA vẫn lớn hơn IB =0,1mA nên vẫn đảm bảo transistor dẫn điện bão hòa. Trường hợp không đạt điều kiện này thì phải chọn transistor cóβ lớn hơn hay dùng transistor ráp kiểu Darlington. 3.5.4. Mạch thay đổi chu trình làm việc. Trong chương 1 khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung, phần các thông số của tín hiệu xung có khái niệm về chu kỳ T của tín hiệu xung là: T = ton + tof Trong đó ton là thời gian tín hiệu xung có điện áp cao tof là thời gian xung có điện áp thấp. Từ khái niệm trên người ta đưa ra hai khái niệm khác là độ rỗng Q và hệ số đầy η của xung. Độ rỗng của xung được tính theo công thức: ont TQ = Nghịch đảo của độ rộng xung là hệ số đầy được tính theo công thức: T ton Hệ số đầy còn được gọi tên bằng một khái niệm kỹ thuật khác là chu trình làm việc D (Duty Cycle) Như vậy : D = T ton 100% Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 47 Trong mạch dao động đa hài phi ổn ối xứng ta có thời gian xả của tụ C1 bằng thời gian xả của tụ C2 nên: t1 = t2 ⇒ ton = toff = T2 1 Chu trình làm việc của mạch đa hài đối xứng là: D = T ton 100% = 50% Để thay đổi chu trình làm việc D người ta phải thay đổi ton hoặc toff nhưng phải giữ nguyên chu kỳ T. a. Sơ đồ mạch thay đổi chu trình làm việc : Mạch điện hình 5.25 có biến trở VR dùng để thay đổi chu trình làm việc D. VR =R1 + R2. Điện trở R là phần điện trở RB dùng chung cho cả hai transistor. Ta có : RB1 = R + R1. RB2 = R + R2. Khi điều nchỉnh biến trở theo hướng tăng trị số R1 sẽ làm giảm trị số R2 và ngược lại. Điều này có nghĩa là khi RB1 tăng thí giảm trị số RB2 và ngược lại. Ta vẫn có thời gian xả của hai tụ C1 và C2 tính theo công thức sau: t1 = 0,69RB1 .C1 = 0,69 (R+ R1) C1 t2 = 0,69RB2 .C2 = 0,69 (R+ R2) C2 Giả thiết C1=C2=C ta có chu kỳ T của tín hiệu xung vuông là: T = t1 + t2 = 0,69 (R+ R1) C1 + 0,69 (R+ R2) C2 T = 0,69 [(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69 [(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69 (2R+ R1 + R2) C T = 0,69 (2R+ VR) C Như vậy, khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm không thay đổi chu kỳ T tức là giữ nguyên tần số f mà chỉ làm thay đổi thời gian t1, t2 tức là thời gian ton, toff sẽ làm thay đổi chu trình làm việc D. b. Nguyên lý thiết kế: Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai transisto. Khi điều chỉnh biến trở đúng vị trí giữa điện trở phân cực cho hai transistor bằng nhau là: 21 BB RR = = R + R1 = R +R2 = R + VR2 1 Khi thay đổi vị trí của biến trở VR sang phải hay sang trái làm tăng điện trở phân cực RB1, giảm điện trở phân cực RB2 và ngược lại. Khi RB1 cực tiểu thì RB2 cực đại và ngược lại Ta có : RB1min = RB2min = R RB1max = RB2max = R +VR Giả thiết mạch đa hài phi ổn được thiết kế trong phần trên có tần số dao động là 1000Hz nhưng chu trình làm việc thay đổi được từ 40% đến 60% thì phần tính toán được giải theo trình tự sau: +VCC RC C2 C1RC1 VR R T1 T2 Hình 3.25: Mạch thay đổi chu trình Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 48 * Đầu tiên ta giả thiết mạch dao động đa hài phi ổn có tần số là f = 1000Hz và chu trình làm việc không đổi là 50% ( mạch phi ổn đốùi xứng). * Với giả thiết bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch cơ bản như trên và đã có kết quả: RC = RC1= RC2 = 1,2KΩ BR = RB1= RB2 = 39KΩ ( Trị số RB trung bình ứng với biến trở VR ở vị trí giữa) C = C1 = C2 =0,018µF * Sau khi có kết quả trên ta giữ trị số tụ C không đổi và thay đổi trị số điện trở RB1, RB2 để thay đổi t1, t2 tức là thay đổi chu trình làm việc. Ta chỉ cần tính cho t1 sẽ suy ra tương tự cho t2 Từ tần số f = 1000Hz suy ra chu kỳ T là: ms f T 1 1000 11 === Khi chu trình làm việc là D = 40% thì thời gian t1 là: t1 = msT 4,0100 40 = và t1 = 0,69RB1min .C = 0,4 ms Suy ra: RB1min = Ω=− Kms 2,3210.018,0.69,0 4,0 6 ⇒ R = RBmin = 32,2 KΩ (chọn R = 33KΩ) Khi chu trình làm việc là D = 60% thì thời gian t1 là: t1 = msT 6,0100 60 = và t1 = 0,69RB1max .C = 0,6 ms Suy ra: RB1max = Ω=− Kms 3,4810.018,0.69,0 6,0 6 . ⇒ RB1max = R + VR. Như vậy: VR = RB1max – R = 48,3 KΩ – 33 KΩ = 15,3 KΩ. Chọn biến trở VR = 15 KΩ. 3.5.5. Mạch đa hài phi ổn ở các dạng khác. a. Mạch đa hài phi ổn dùng diode sửa dạng sóng: Khi transistor trong mạch phi ổn đổi trạng thái từ bão hòa (VC = VCEsat ≈ 0,2V) sang ngưng dẫn (VC ≈ VCC ) thì điện áp ra không tăng lên tức thời theo dạng sóng vuông được vì lúc đó tụ C nạp qua RC làm điện áp ra tăng lên theo hàm số mũ. Thời gian điện áp ra tăng lên theo hàm số mũ gọi là thời gian hồi phục th. Thời gian này tụ thuộc hằng số thời gian nạp của tụ C và điện trở RC, th được tính theo công thức: th = 3τnạp = 3RC . C Để sửa chữa dạng sóng ra người ta dùng hai diod D1-D2 để cách ly các tụ C1-C2 với hai cực C1-C2 Khi T2 ngưng dẫn tụ C1 sẽ không nạp điện qua RC2 vì D2 bị phân cực ngược, do đón tụ C= sẽ nạp điện qua RD2 . Như vậy điện áp VC2 sẽ tăng nhanh cho ra dạng sóng vuông. Suy luận tương tự cho tụ C2 và điện áp VC1 khi T1 ngưng dẫn. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 49 b. Mạch đa hài phi ổn hồi tiếp về cực E : Mạch điện hình 5.28 có tụ hồi tiếp C nối giữa hai cực E, trong khi tụ CB loại tụ hóa có trị số lớn sẽ có tác dụng lọc bỏ thành phần xoay chiều xuống mass. Transistor T1 được ráp như kiểu cực B chung nên tín hiệu cực E và ra ở cực C1. VCC C + Rc1 Rc2 T2 Rb T1 ReRb2 Rb1 Mạch điện 3.28 chạy theo nguyên lý sau. Khi mới mở điện, tụ CB nạp nên VB1 = 0V làm T1 ngưng và VC1 tăng cao làm cho T2 bão hòa, dòng IC2 tăng ca. Dòng IE2 sẽ qua RÈ2 làm VE2 tăng, tụ C nạp điện qua RC2 và RE1. Dòng nạp vào tụ C làm VÉ1 tăng nên transistor T1 càng dễ ngưng dẫn. Khi tụ C nạp đầy thì IE1 ≈ 0 làm VE2 giảm trong khi đó tụ CB đã nạp đầy nên VB1 cao làm làm T1 bão hòa. Khi T1 bão hòa có dòng IC1 qua RC1 nên VC1 giảm làm VB2 giảm và T2 ngưng. Khi T1 bão hòa, T2 ngưng thì điện áp trên tụ C sẽ nối tiếp với điện áp nguồn và tụ C sẽ xả qua RC1 và RE2. Khi tụ C xả điện qua RE2 sẽ làm VE2 giảm dần đến mức đủ nhỏ thì T2 lại dẫn điện tạo dòng điện nạp vào tụ C nên VE1 lại tăng cao làm T1 ngưng dẫn. Mạch đã trở lại trạng thái ban đầu. Hiện tượng trên lại tiếp tục và tuần hoàn. V O t Hình 3. 26. Dạng sóng vuông do thời gian hồi phục. th th Hình 3.28. Mạch phi ổn hồi tiếp về cực E. Hình 3.29. Mạch phi ổn dùng chung Re. Hình 3.27. Dùng Diode sửa dạng sóng. T2 Rb2 Rc2Rd2Rb1 Vcc Rc1 D1 Rd1 T1 D2 C1C2 T2 Re1Cb + Vcc Rc2Rc1 C + Re2 Rb T1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 50 Mạch điện hình 3.29 có tụ C ghép giữa cực C1 và cực B2, mạch hồi tiếp được thực hiện nhờ hai transistor có chung điện trở RE . Khi mở điện tụ C nạp nhanh qua RC1- T2-RE làm T2 dẫn và cho ra IE2 qua RE nên VE1 = VE2 tăng cao và làm T1 ngưng. Khi tụ C nạp đầy làm mất dòng IB2 nên T2 ngưng dẫn. IE2 = 0 làm cho T1 dẫn bão hòa nhờ có cầu phân áp RB1 và RB2. Lúc đó điện áp trên tụ C nối tiếp với điện áp nguồn sẽ xả qua RB và T1-RE. Sau khi tụ xả xong làm mất điện áp âm đặt vào cực B2 nên T2 dẫn điện trở lại như trạng thái ban đầu. Trong mạch điện hình 3.28 tụ C nạp điện qua RC2 - RE1 và xả điện qua RC1- RC2. Ta có : τnạp= ( RC2 + RÉ1 ).C và τxả = ( RC1+ RÈ2 ) C. Nếu mạch được thiết kế có RC1 = RC2 và RE1 = RE2 thì xung vuông ở ngõ ra là tín hiệu vuông đối xứng. Trong mạch điện hình 3.29 tụ C nạp qua RC1-RE,xả điện qua RB- RE. Ta có : τnạp = (RC1+ RE ) .C và τxả = ( RB + RE ).C Do điện trở RB thường rất lớn so với RC1 nên xung ra là một tín hiệu vuông không đối xứng . c. Mạch đa hài phi ổn dùng hai Transistor khác loại: Trong mạch điện hình 4.30 dùng hai Transisitor khác loại để tạo mạch đa hài phi ổn gồm T1 loại NPN và T2 loại PNP . Mạch có nguyên lý làm việc như sau : Khi mở điện T1 dẫn do được phân cực cầu phân thế RB1- RB2 .Lúc đó dòng IC1 làm giảm điện áp VC1 nên cũng làm giảm VB2. Hiện tượng này sẽ làm cho T2 cũng được phân cực nên â dẫn điện ( vì T2 là loại PNP) Khi T2 dẫn có dòng IC2 qua RC2 làm VC2 tăng và tụ C nạp điện qua RE2 – T2 và RB2 xuống mass. Dòng nạp này qua RB2 làm VB1 tăng và T1 chạy bão hòa kéo T2 bão hòa theo. Khi tụ C nạp đầy làm mất dòng điện qua RB2 nên VB2 giảm làm T1 chạy yếu dẫn theo T2 chạy yếu. Lúc đó VC2 giảm nhỏ do T2 dẫn yếu làm điện áp trên tụ C ghép nối tiếp với điện áp nguồn và tụ C sẽ xả điện qua RB1 và RC2. Lúc đó điện áp âm trên tụ C sẽ làm VB1 âm, nên T1 ngưng kéo theo T2 ngưng theo. Khi tụ C xả điện xong thì mạch trở lại trạng thái ban đầu và hiện tượng trên được tiếp diễn liên tục tuần hoàn. Thời gian nạp của tụ qua ØRE2 va RB2 có trị số nhỏ nên ngắn hơn so với thời gian xả của tụ RB1 và RC2. Do đo, tín hiệu xung ra có dạng xung vuông không đối xứng. d. Mạch đa hài phi ổn cho ra tần số thấp: Mạch đa hài phi ổn cơ bản có công thức tính tần số dao động là: CR f B .4,1 1= Trong công nghiệp có những trường hợp cần tạo ra tín hiệu xung bỏ có tần số f rất thấp (f<<1Hz) thí dụ: f = 0,01Hz Nói cách khác, xung vuông có chu kỳ T rất dài (T>>1gy). Theo công thức trên, để có f rất thấp thí trị số RB và tụ C phải rất lớn. Trong thực tế trị số tụ C loại tụ hóa cũng có mức giới hạn không thể quá lớn, điện trở RB nếu quá lớn sẽ không thỏa điều kiện bão hòa sâu vì lúc đó dòng IB sẽ nhỏ theo công thức: IB = β CIK. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 51 Để giải quyết cho trường hợp trên ta có thể dùng hai transistor ráp kiểu Darlington để có độ khuếch đại dòng lớn. Trong mạch điện hình 4.31, hai transistor T1A-T1B ráp kiểu Darlington, T2A-T2B ráp kiểu Darlington để tạo ra mạch đa hài đối xứng với cách ráp kiểu Darlington thì độ khuếch đại dòng chung cho hai transistor là: βchung = βA - βB ( ≈ vài ngàn ÷ vài chục ngàn) Điều kiện bão hòa sâu bây giờ sẽ là: BA C B I KI ββ= Với β chung rất lớn thì dòng điện IB sẽ có trị số rất nhỏ và điều này giúp cho việc chọn trị số RB có thể lớn theo công thức: B BECC B R VV R 2−= Hình 3.28. Mạch phi ổn có tần số thấp C2 + Vcc T1 T3 Rb2Rc1 C1 Rb1 + Rc2 T2 T4 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 52 CHƯƠNG 4 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG KHÁC 4.1. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG OP-AMP Trong phần trước chúng ta đã khảo sát các mạch tạo xung dùng transistor rời, trong phần này chúng ta sẽ khảo sát các ứng dụng của OP-AMP trong kỹ thuật xung. 4.1.1. Mạch lưỡng ổn (FLIP – FLOP) dùng OP-AMP: Mạch F/F dùng OP-AMP như sơ đồ hình 4.1 có hai OP-AMP làm việc như hai mạch khuếch đại so sánh. Hai OP-AMP sẽ ở trạng thái bão hòa dương nếu có: +iV > − iV ⇒ V0 = +VCC hay ở trạng thái bão hòa âm nếu có: −iV > +iV ⇒ V0 = + 0V Giả thuyết mạch có trạng thái như hình vẽ với V01 = +VCC và V02 = 0V OP-AMP (1) được hồi tiếp từ V02 = 0V về ngõ In- qua điện trở 10K nên vẫn có : + iV > − iV và V01 = +VCC ổn định OP-AMP (2) được hồi tiếp từ V01 = +VCC về ngõ In- qua điện trở 10K (10K +iV và V01 = 0V ổn định Đây là trạng thái ổn định thứ nhất của mạch F/F, OP-AMP(1) ở trạng thái bão hòa dương và OP-AMP(2) ở trạng thái bão hòa âm. Để đổi trạng thái của F/F, cho công tắc S nối vào ngõ In- của OP-AMP(2) đang bão hòa âm. Lúc đó −iV = 0V và +iV > − iV nên OP-AMP(2) chuyển sang bão hòa dương, V02 = + VCC qua điện trở hồi tếp 10K sẽ làm đổi trạng thái cũ OP-AMP(1) từ bão dương sang bão hòa âm vì lúc đó OP-AMP(1) có ø −iV > +iV . Lưu ý: Điện trở hồi tiếp phải có trị số khá nhỏ so với điện trở nối ngõ In+ lên nguồn +VCC Công tắc S có điểm chung nối masse xem như xung âm kích điều khiển F/F. Công tắc điều khiển lên nguồn +VCC qua điện trở để kích đổi trạng thái của F/F như xung dương kích điều khiển F/F. Trường hợp này xung dương phải được đưa vào OP-AMP (1) đang bão hòa dương. Sơ đồ hình là hình 4.3 mạch F/F dổi trạng thái bằng xung dương. Như vậy, để đổi trạng thái bằng xung dương. - Cho xung âm( hay mức điện thế thấp) vào ngõ In- của OP-AMP đang bão hòa âm. - Cho xung dương (hay mức điện thế cao ) vào ngõ In- của OP-AMP đang bão hòa dương. 4.1.2. Mạch flip-flop hồi tiếp bằng diode: Mạch Flip-Flop hình 4.3 dùng hai diode +VCC +VCC Vo1=+VC C Vo2=0v + - 3 2 6 - + 1 2 3 10 K 100K 100K 1 2 10 K 1 Hình.4.1: Mạch F/F dùng OP-AMP kích đổi trạng thái bằng xung âm +VCC Vo1=+VCC Vo2=0v +VCC 1 100K - + 2 3 + - 3 2 6 100K 10K 10K Vo1 Vo2 + Hình 4.3: Mạch F/F hồi tiếp bằng D Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 53 D1-D2 để nhận xung kích ở ngõ vào và hai diod D3-D4 để lấy điện áp hồi tiếp. Giả sử mạch đang có trạng thái ổn định như hình vẽ, OP-AMP(1) đang bãohòa dương, V01=+VCC; OP-AMP (2) đang bão hào âm, V01ï =OV. Trường hợp này nếu cho xung âm vào ngõ V12 của OP-AMP đang bão hòa âm thì diode D2 bị phân cực ngược nên xung âm không tác động được vào mạchF/F phải cho xung dương vào ngõVi 1 của OP-Amp đang bão hòa dương. Lúc đó, diode D1 được phân cực thuận sẽ cho xung dương vào mạch F/F và làm cho mạch đổi trạng thái. Như vậy, khi sử dụng diode như hình 4.3 thì 2 mạch F/F chỉ còn một cách kích đổi trạng thái là cho xung dương (hay mức điện thế cao) vào ngõ In- của OP-AMP (1) đang bão hòa dương. 4.1.3. Mạch dao động tích thoát: a. Nguyên lý: Mạch điện hình 4.4 là sơ đồ mạch dao động tích thoát dùng OP-AMP để cho ra tín hiệu vuông. Sơ đồ có hai mạch hồi tiếp từ ngõ ra về hai ngõ vào. C ầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ In- ,cầu phân áp R1 –R2 hồi tiếp về ngõ In+. Để giải thích nguyên lý mạch ta giả sử tụ C chưa nạp điẹân và OP-AMP đang ở trạng thái bão hòa dương. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp dương về ngõ In+ với mức điện áp là : V0 = +VCC =++= + 21 2. RR R VV CCin VA ( +inV > 0V) Trong khi đó, ở ngõ In- có điện áp tăng dần lên từ 0V, điện áp tăng do tụ C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là τ =R.C Khi tụ C nạp có −inV < +inV thì OP-AMP vẫn ở trạng thái bão hòa dương. Khi tụ C nạp đến mức điện áp −inV > +inV thì OP-AMP đổi thành trạng thái bão hòa âm, ngõ ra có V0 = -VCC. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp âm về ngõ In+ với mức điện áp là: =+−= + 21 2. RR R VV CCin VB ( +inV < 0V ) Trong khi đó ở ngõ In- vẫn còn đang ở mức điện áp dương với trị số: 21 2. RR R VV CCin ++= − do tụ C đang còn nap điện. Như vậy OP-Amp sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa âm nhanh cho cạnh vông thẳng đứng. Tụ C bây giờ sẽ xả điện áp dương đang nạp trên tụ qua R1 và tải ở ngõ ra xuống mass.ï Khi tụ Cõ xả điện áp dương đang có thì +inV vẫn ở mức điện áp âm nên OP-AMP vẫn ở trạng thái bão hòa âm. Khi tụ Cõ xả hết điện áp dương sẽ nạp điện qua R để có điện áp âm đang có do ngõ ra đang ở trạng thái bão hòa âm chiều nạp bây giờ ngược với chiều dòng điện nạp trên hình vẽ. Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức −inV < +inV (ngõ In - nhỏ hơn ngõ In+) thì OP-AMP lại đổi thành trạng thái bão hòa dương về ngõ ra có V0 = +VCC. +VCC -VCC - + 1 2 3 R2 R R1 C H6-4 Hình 4.4. Mạch phi ổn hồi tiếp về cực E. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 54 Mạch đã trở lại trạng thái giả thiết ban đầu và hiện tượng trên cứ tiếp diễn liên tục tuần hoàn . b. Dạng sóng ở các chân: Mức giới hạn điện áp ngõ ra là: V0max ≈ +VCC V0min ≈ -VCC Mức giới hạn điện áp ở hai ngõ vào là: VA 21 2. RR R VCC ++= VB 21 2. RR R VCC +−= Dạng điện ở ngõ vào In- là dạng tan giác. Thời gian điện áp ở ngõ vào In- tăng từ VB lên VA là OP-ANP ở trạng thái bão hòa dương, Thời gian điện áp ở ngõ vào In- giảm từ VA xuống VB là OP-ANP ở trạng thái bão hòa dương. Dạng điện áp ở ngõ In+ và ngõ ra là trạng thái xung vuông đối xứng. Chu kỳ của tín hiệu được tính theo công thức 1 21 2.2 R RR CLnRT += Suy ra tần số của tín hiệu xung được tính theo công thức T f 1= Trường hợp đặc biệt : R1 = 2R2 ⇒ T = 2.R.CLn2 (LN2 = 0,69) =2.R.C.0,69 ⇒ f = CRCR ..4,1 1 ..69,0.2 1 ≈ R1 = R2 ⇒ T = 2.R.CLn3 (LN3 = 1,1) =2.R.C.1,1 ⇒ CR f ..2,2 1= c. Mạch đổi tần số: Theo công thức tính chu kỳ và tần số dao động như trên ta có thể đổi tần số dao động bằng các phương pháp sau: Thay đổi tỉ số của cầu phân thế trong mạch hồi tiếp chương ( R1 và R2 ) Thay đổi trị số điện trở R hay tụ C trong mạch hồi tiếp âm. Tần số của mạch dao động tính thoát hình 6-6 được tính theo công thức: T= 2 (R+ VT1) .CLn 1 221 )(2 R VRRR ++ d. Mạch đổi chu trình làm việc: Trong sơ đồ mạch dao động tích thoát cơ bản dùng OP-AMP, tụ C nạp điện và xả điện đều qua điện trở R nên hằng số thời gian nạp và xả bằng nhau. Điều này có nghĩa là thời gian xung vuông có điện áp cao và thời gian xung vuông có điện áp thấp dài bằng nhau. Xung vuông ra là xung không đối xứng có chu trình làm việc là D = 50%. VA Vin- VB Vin+ VA VB Vcc -Vcc V0 t t t Hình 4.5. Dạng sóng ở các chân. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 55 Để thay đổ chu trình làm việc, mạch dao động tích thoát có sơ đồ như hình 4.47, biến trở VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp và thời gian xả của tụ theo hai hướng ngược nhau,nên tăng thời gian nạp sẽ làm giảm thời gian xảvà ngược lại Khi tụ C nạp điện áp dương từ ngõ ra sẽ nạp qua điện trở R, biến trở VR ( phàn dưới ) và qua diode D2. Khi tụ C xả điện áp dương và sau đó nạp điện áp âm sẽ xả qua R< biến trở VR ( phần trên ) và qua diode D1. Khi điều chỉnh biến trở VR chỉ làm thay đổi chu trình làm việc mà vẫn giữ nguyên tần số dao động. 4.1.4 Mạch tạo xung vuông và tam giác: Mạch dao động tích thoát cơ bản tạo xung đối xứng ở ngõ ra. Nếu kết hợp mạch tích phân tích cực dùng OP-AMP thì mạch có thể cho ra xung tam giác. Hình 4.8: Mạch tạo xung vuông và tam giác OP-AMP (1) là mạch dao động tích thoát để tạo xunh vuông theo nguyên lý trên. Xung vuông được lấy trên biến trở VR1 để thay đổi biên độ ngõ ra OP-AMP (2) là mạch tích phân tích cực nhận xung vuông từ ngõ ra của OP-AMP(1) đổi thành dạng xung tam giác.Xung tam giác được lấy trên biến trở VR2 để thay đổi biên độ ngõ ra. 4.2. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG VI MẠCH 555. Vi mạch định thì 555 là mạch tích hợp Analog – Digital nên có nhiều tác giả xếp vào một chương trong giáo trình Mạch tương tự, có nhiều tác giả lại xếp vào một chương trong giáo trình Mạch số Vi mạch định thì 555 và họ của nó được ứng dụng rất ộng 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 linh kiện bán dẫn công suất như Transistor,SCr,Triac… Do đó chúng tôi xếp Vi mạch định thì 555 là một chương trình ″ Kỹ thuật xung”. 4.2.1. Sơ đồ chân và cấu trúc: Vi mạch 555 được chế tạo thông dụng nhất là dạng vỏ Plastic như hình vẽ 4.9 Chân1: GND (nối đất) Chân2: Trigger Input (ngõ vào xung nảy) Chân3: Output ( ngõ ra) Chân4: Reset (hồi phục) Chân5: Control Voltage ( điện áp điều khiển) Chân6: Threshold (Thềm –ngưỡng) Chân7: Dirchage ( xả điện) NE555 1 2 3 4 8 5 H4.9 Vo1Vo1 +VCC -VCC +VCC -VCC R R1 R2 - + 1 2 3 - + 1 2 3 C1 VR1 1 3 2 VR2 1 3 2 R3 R5 R4 C2 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 56 Chân8: +VCC ( nguồn dương) Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện chức năng như trong hình 4.10 gồm có: 1)-Cầu phân àp gồm 3 điện trở 5KΩ nối từ nguồn =UCC xuống mass cho ra 2 áp thế chuẩn là 1/3 UCC và 2/3 UCC . 2)-OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ I-n nhận điện áp chuẩn 2/3 UCC còn ngõ I+n thì nối ra ngoài chân 6. Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 UCC mà OP-AMP (1) có điện áp 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 I+n nhận điện áp chuẩn 1/3 UCC còn ngõ I-n thì nối ra ngoài chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 UCC mà OP-AMP (2) có áp thế 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 là ngõ Q lên mức cao và ngõ Q của xuống mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. Khi chân Reset ® có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái. Khi chânReset (R ) có điện áp cao thì điện áp nầy kích đổi trạng thái của F/f làm ngõ Q lên mức cao và ngõQ 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 tại khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện ápcao (≈UCC ) . 6)- Transistor T1 có chân e nối vào 1 điện áp chuẩn khoảng 1,4 V và loại Transistor. PNP nên khi cực b nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V 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 hòa đồng thời làm mạch OUTPUT cũng dẫn bão hòa và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC Hình 4.10 Cấu trúc của IC 555. V r =1,4V T2 + - 3 2 6 + - 3 2 6 5K 5K 5K T1 3 2 1 F/F OUT PUT NOT R S 1/3 VCC 2/3 VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 57 555 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 chân4 lê UCC để tránh mạch bị Reset do nhiễu. 7)- Transistor T2 là Transistor có cực C để hở nối ra chân7 (Discharge =xả ). Do cực Bược phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F nên khiQ ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass, lúc đóngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực Ccủa T2 bị hở, lúc đó ngõ ra chân 3 có điện áp cao. Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra chân 7có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4. Hình 4.10 là sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555 vẽ theo kiểu sơ đồ chức năng. 4.2.2. Các mạch dao động. a. Mạch phi ổn cơ bản. Sơ đồ mạch hình 4.11 là ứng dụng của IC 555 là mạch đa hài phi ổn để tạo xung vuông. Trong mạch chân ngưỡng ( Threshoide ) số 6 được nối với chân nảy (Trigger) số 2 nên hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so với điện áp chuẩn 2|3 VCC và 1|3 VCC bởi OP- AMP (1) và OP- AMP (2). Chân 5 có tụ nhỏ, 01 nối mass để lọc nhiều tần số cao có thể làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3 VCC. Chân 4 nối nguồn + VCC nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa 2 điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ. Ngõ ra chân 3 có điện trở giới hạn dòng 1,2 K và Led để biểu thị mức điện áp ra – chỉ có thể dùng trong trường hợp tần số dao động có trị sô thấp từ 20HZ trở xuống thì ở tần số cao hơn 40HZ trạng thái sang + 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 4.51 và sơ đồ cấu trúc hình 4.52 Khi mới đóng điện tụ C bắt đầu nạp từ OV lên nên: -OP-AMP (1) có VI+< VI- nên ngõ ra có 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 . Transistor T2 có VB2 = 0 do Q =0 nên T2 ngưng dẫn để tụ C được nạp điện Tụ C nạp điện qua RA và RB với hằng số thời gian khi nạp là: )( BAnap RR +=τ Khi điện áp trêntụ 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 xuốmg 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 mức 2|3 VCC thí OP-AMP (1) dổi 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 hòa và chân 7 nối mass,làm tụ C không nạp tiếp điện áp được Hình 4.11: M ạch đa hài phi ổn +VCC=12V .01 C R96 Ra R=1,2K Rb 555 12 3 4 5 6 7 8 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 58 mà phải xả điện qua RB và Transistor T2 xuống mass. Tụ C xả điện qua RB với hằng số thời gian là: τxả =RB . C 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 = mức thấp, ngõ R = 0. Khi R xuống mức thấp thí 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 VI+ > VI- nên ngõ ra có V02 = mức cao, ngõ S1 = 1.Mạch F|F có ngõ S=1 và 0=Q , ngõ ra chân 3 qua mạch đảo có V0 ≈ + VCC làm Led lại sáng, đồng thời lúc đó T2 mất phân cực do 0=Q nên ngưng dẫn và chấm dứt giai đoạn xả điện của tụ. Như vậy mạch đã trở lai trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện từ mức 1/3 VCC nên đến 2/3 VCC , hiện tưọng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn. Lưu ý: Khi mới mở điện tụ C sẽ nạp điện từ 0V lên 2|3 VCC rồi sau đó tụ xả điện là 2/3 VCC xuống 1/2 VCC chứ không xả xuống 0v. Những chu kỳ sau tụ sẽ nạp từ 1/3VCC lên 2/3 chứ không nạp từ 0v nữa. Thời gian tụ nạp là thời gian V0 ≈ + VCC , Led sáng. Thời gian tụ xả là thời gian V0 ≈ 0v , Led tắt. Thời gian nạp và xả tụ được tính theo công thức: Thời gian nạp : tnạp =0,69. τnạp : tnạp = 0,69 .( RA + RB ) C Thời gian xả : txả = 0,69.τxả .txả = 0,69 . RB . C Điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ là: T = tnạp +txả T = 0,69 ( RA + 2RB ) C Do thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau ( tnạp > txả ) nên tín hiệu hình vuông ra không đối xứng. Tần số của tín hiệu hình vuông là: CRRT f BA )2(69,0 11 +== b. Mạch phi ổn đối xứng : Trong mạch phi ổn cơ bản , do thời gian nạp và thời gian xả của tụ không bằng nhau nên dạng điện áp ở ngõ ra không đối xứng. Ta có : tnạp =0,69 ( RA + RB ) .C .txả = 0,69 RB .C Để cho dạng sóng vuông ở ngõ ra đối xứng người ta có thể thực hiện bằng nhiều cách Cách thứ 1: Chọn điện trở RA có trị số rất nhỏ so với RB thì lúc đó sai số giữa tnạp và txả coi như không đáng kể. Điều này khó thực hiện nếu làm việc ở tần số cao. Điện trở RA có trị số tối thiểu khoảng vài KΩ thì RB phải có trị số rất lớn khoảng vài trăm KΩ. Với các trị số điện trở này thì tần số dao đông không thể cao được. Cách thứ 2 : Dùng Diode D ghép song song RB theo chiều hướng xuống như hình vẽ 4.12 khi có Diode D, thời gian tụ C nạp làm Diode D được phân cực thuận có điện trở rất nhỏ nên coi như nối tắt RB. Thời gian nạp điện của tụ được tính theo công thức : tnạp 0,69 ≈ RA . C Khi tụ C xả điện thi Diode được phân cực ngược nên tụ vẫn xả điện qua RB. Thời gian xả điện của tụ được tính theo cong thức : txả = 0,69 RB .C Nếu chọn trị số RA bằng RB thì mạch sẽ tạo ra tín hiệu hình vuông đối xứng . Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 59 Hình 4.12a Hình 4.12b. Thật ra trong mạch điện hình 4.12a khi tụ nạp dòng điện phải qua RA và đện trở thuận của Diode nên thời gian nạp vẫn lớn hơn thời gian xả một ít. Để cho tín hiệu thật đối xứng thì ghép thêm Diode nối tiếp với điện trở RB như hình 4.12b, như vậy cả hai trường hợp nạp và xả đều có Diode. Điều kiện của hai mạch trên là RB phải có trị số khá lớn so với điện trở thuận của Diode. c. Mạch phi ổn điều chỉnh tần số và chu trình làm việc: Hai yêu cầu thường có trong thiết kế của mạch đa hài phi ổn là: Thay đổi tần số f mà vẫn giữ nguyên chu trình làm việc ( đói xứng ) Thay đổi chu trình làm việc mà vẫn giữ nguyên tần số f. Để có thể thay đổi tần số của tín hiệu hình vuông ra mà vẫn có tín hiệu đối xứng thì hai điện trở RA và RB phải được điều chỉnh sao cho cùng tăng hay giảm trị số. Lúc đó rong mạch điện có thêm hai biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như trong sơ đồ hình 4.46a. Để thay đổi chu trình làm việc – tức là thay đổi tỉ lệ thời gian tín hiệu có điện áp cao và thời gian tín hiệu có điện áp thấp hay là thời gian nạp và thời gian xả của tụ – nhưng vẫn giữ nguyên tần số nghiã là chu kỳ T bằng hằng số, hai điện trở RA và RB giảm cùng một giá trị thay đổi. Lúc đó trong mạch có thêm hai biến trở VRA và VRB ghép nối tiếp như sơ đồ hình 4.13b nhưng hai biến trở được điều chỉnh ngược hướng Hình 4.13a Hình 4.13b +VCC V o RB .01 RA VR1 1 3 2 VRB 1 3 2 48 555 3 1 5 2 6 7 C S +VCC Vo RA .01 RB VRB 1 3 2 VR1 1 3 2 48 555 3 1 5 2 6 7 C S +VCC +VCC C .01 RB RA R C .01 RB RA R1 2 3 4 5 6 7 8 555 1 2 3 4 5 6 7 8 555 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 60 2. Mạch đa hài đơn ổn dùng 555: a. Mạch đa hài đơn ổn cơ bản: Để có thể phân tích nguyên lý của mạch đơn ổn một cách rõ ràng, dễ hiểu chúng ta sử dụng sơ đồ hình 4.14 . Sơ đồ hình vẽ mạch áp dụng IC 555 làm mạch đơn ổn , sơ đồ hình 4.48 kềt hợp với sơ đồ cấu trúc bên trong IC. Trong mạch này chân ngưỡng số 6 và chân xả số 7 được nối vào điểm chung của mạch định thì RTC. Chân nhận xung kích số 2 được nối lên nguồn + VCC qua điện trở 10K sao cho chân này có điện áp lớn hơn 1/3VCC. H Hình 4.14 Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi có xung âm hẹp tác động tức thời ở ngõ vào Trigger chân hai mạch sẽ đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 3 sẽ có xung dương ra. Độ rộng xung ở ngõ ra có thời gian dài hay ngắn tùy thuộc mạch định thì RTC , sau đó mạch sẽ trở lại trạng thái ban đầu . Nguyên lý mạch đơn ổn được giải thích như sau : Khi mở điện tụ C nối chân 6 và 7 xuống masse làm OP- AMP (1) có ngõ In+ nhỏ hơn ngõ In- nên ngõ ra V01 = 0v, ngõ R ở mức thấp . Lúc đó OP-AMP (2) có ngõ In+ cũng nhỏ hơn ngõ In- nên ngõ ra V02 = 0v, ngõ s cũng thấp. Mạch F|F có hai ngõ R và S đều ở mức thấp và nhờ cấu trúc của mạch chi tiết nê F\F có ngõ ra Q ở mức cao , qua mạch đảo ngõ ra chân 3 sẽ có mức thấp gần 0v. khi Q ở mức cao ạo phân cực bão hòa cho T2 làm T2 dẫn nối chân 7 xuống mass, chân 6 cũng bị nối mass nên tụ C không nạp điện được, mạch sẽ ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động khác ở bên ngoài . Khi đóng khóa K sẽ có xung âm kích vào chân Trigger số 2 làm OP-AMP (2) đổi trạng thái ngõ S lên mức cao . Mức cao của ngõ S điều khiển làm F|F đổi trạng thái , làm ngõ Q xuống mức thấp, ngõ ra qua mạch đảo sẽ tăng lên mức cao và xung dương ra. Lúc đó Q ở múc thấp nên T2 ngưng dẫn để tụ C nạp điện qua RT . Trong thới gian tụ C nạp điện mạch vẫn giữ trạng thái này nên ngõ ra tiếp tục ở ngõ cao . Điện áp nạp trên tụ có trị số tăng theo hàm số mũ và khi điện áp đạt gía trị 2|3 VCC thì OP-AMP (1) đổi trạng thái,ngõ R tăng lên mức cao . Ngõ Rcó mức cao sẽ điều khiển F|F trở lại trạng thái cũ , ngõ Q lên mức cao làm ngõ ra qua mạch đảo sẽ xuống mức thấp chấm dứt xung dương ra . Đồng thời lúc đó T2 được phân cực bão hòa nên chân 7 nối mass làm tụ C xả điện , mạch sẽ ổn định ở trạng thái này cho đến kyi nào có xung âm khác tác diộng vào chân Trigger ( số 2 ) Thời gia xung dương ra tức là thời gian nạp điện từ 0v lên 2|3 VCC được tính theo như sau : +Vcc 01 K C K Rt 555 12 3 4 5 6 7 8 Vo 10 K +Vcc Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 61 Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ là: VC = VCC ( 1- τ xt e ) Trong đó τ = RT . C Thời gian tụ nạp được điện thế từ 0V lên 2|3 VCC là tx được tính bởi : VC = VCC ( 1 - τ xt e ) = 2|3VCC Suy ra : ( 1- τ xt e ) = 3 2 hay là 1 - 3 2 = τ xt e ⇒ 3 1 = τ xt e = τ xt e 1 ⇒ τx t e = 3 Cuối cùng ta có hàm số ngược của hàm số mũ là Ln. Như vậy : tx = τ . Ln3 ( Ln3 = 1,1 ) tx = 1,1 RT . C Bình thường chân 2 phải có điện áp lớn hơn 1|3 VCC, khi có xung âm thì biên độ xung phải làm điện ápchân 2nhỏ hơn 1|3 VCC . Khi vừa có xung âm ở chân 2 thì ngõ ra bắt đầu có xung dương và tụ C bắt đầu nạp điện Thời gian xung dương ra tx không tùy thuộc độ xung âm ở ngõ vào mà chỉ tùy thuộc hằng số thời gian τcủa mạch định thì . Nếu dùng biến trở thay VR thay cho RT ta có thể thay đổi độ rộng xung ra , cách khác là thay đổi tụ C bằng các điện dung có trị số khác nhau . b. Mạch trì hoãn dùng kiểu đơn ổn . Mạch đơn ổn được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực tự động điều khiển và đặc biệt là mạch trì hoãn. Trong thực tế người ta không cần tạo xung điều khiển cho vào chân số 2 ( Trigger ) mà mạch tự tạo xung khi mở điện ở ngõ ra cũng bắt đầu có xung ra. Mạch điện hình 4.49 là sơ đồ mạch tự tạo xung khi mở điện. Trong sơ đồ chân số 2 ( Trigger ) được nối đến chân số 6 ( Threshold = thềm ) nên sẽ có chung điện áp giữa mạch nạp RT.C để so với hai điện áp chuẩn trong IC là 1|3 VCC và 2|3 VCC. Khi mở điện tụ C bắt đầu nạp từ 0v lên nên OP- AMP (2) có ngõ In+ Lớn hơn ngõ In- nên ngõ ra V02 ở mức cao, ngõ S cũng ở mức cao , mạch F|F có ngõ Q ở mức thấp và ngõ ra của IC có V0 ≈ VCC có nghĩa là tức thời có xung ra. Lúc đó OP- AMP (1) có ngõ In+ nhỏ hơn In- nên ngõ ra V01 ở mức thấp, ngõ R cũng ở mức thấp. Khi tụ nạp đir65n áp đến mức 1|3 VCC thì OP-AMP(2) đổi trạng thái , ngõ S xuống mức thấp nhưng mạch F/F cũng đổi trạng thái, ngõ Q tăng lên mức cao làm ngõ ra của IC giảm xuống mức thấp Vo = 0v và chấm dứt xung ở ngõ ra Thời gian có xung ra hay độ rộng xung chính là thời gian tụ C nạp từ 0v đến 2|3 VCC và cũng được tính theo công thức: tx = 1,1 RT.C Trong mạch này chân 7 ( Discharge = xả điện ) để trống không nối vào mạch nạp RT. R D RT c 0.1 6 4 8 2 1 5 3 555 Hình 4.15 Mạch trì hoãn kiểu đơn ổn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 62 C nên tụ sẽ không xả điện và mạch sẽ giữ mãi ở trạng thái này. Muốn có xung ra tiếp thì phải tắt điện rồi mở lại. Trị số điện trở RT và tụ C được giới hạn trong khoảng : RT = 10 KΩ ÷ 14 MΩ C = 100pF ÷ 1000 MF Với các trị số trên Rt và C, mạch đơn ổn có thể cho ra xung có độ rộng ngắn nhất vài µs đến vài giờ. Như vậy, khi mở điện rơ-le RY không có điện do V0 ≈ VCC , sau khi chấm dứt xung tức là sau thời gian tx thì rơ-le RY có điện vì V0 ≈ 0v . khi rơ-le có điện sẽ đóng hay mở các tiếp điểm để điều khiển mạch khác thường là mạch công suất . Thật ra IC555 và họ IC định thì của nó có ứng dụng rất đa dạng , trong chương này chỉ giới thiệu hai ứng dụng cơ bản nhất của nó là mạch da hài phi ổn và da hài đơn ổn c. IC555 giao tiếp với các loại tải: IC555 có thể giao tiếp với nhiều loại tải khác nhau và tùy trường hợp mỗi loại tải đều có thể mắc theo 2 cách - Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp thấp . Lúc đó IC sẽ cấp dòng điện Cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải trường hợp này được gọi là I nhận - Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp cao. Lúc đó IC sẽ cấp dòng điện cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải. Dòng điện tải trường hợp này được gọi là I nguồn. Vcc T1 TAÛI 3 8 555 T2 1 Hình 4-16a : Điện áp ra mức thấp Hình 4-17b: Điện áp ra mức cao Khả năng cung cấp dòng điện và điện áp của IC555 như sau: * Điện áp ở mức thấp : Với VCC = 15V . Điện áp V0 chính là 2CEU khi T2 bão hòa IL = 10mA ⇒ U0 = 0,1v Vcc T1 TAÛI 3 8 555 Vcc T2 1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 63 IL = 50mA ⇒ U0 = 0,4v IL = 100mA ⇒ U0 = 2v IL = 200mA ⇒ U0 = 2,5 * Điện áp ra ở mức cao: Với UCC = 15v .Điện áp U0 chính là UCC - 2CEU . Khi T1 bão hòa IL = 100mA ⇒ U0 = 13,3v ⇒ 2CEU = 1,7v IL = 200mA ⇒ U0 = 12,5v ⇒ 2CEU = 2,5v * Tải là Led Nếu tải là Led thì phải dùng điện trở ghép nối tiếp với Led để giới hạn dòng qua Led Tùy theo cách mắc tải mà dòng điện qua Led có công thức tính khác nhau +Vcc T1 R 3 8 555 T2 +Vcc 1 Vcc T1 R3 R 3 8 555 T2 1 Hình 4-17a: Điện áp ra mức thấp Hình 4-17b: Điện áp ra mức cao Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 64 * Tải là Rơ-le : IC 555 có thể giao tiếp với các loại Rơ-le điều khiển . Các loại Rơ-le này có dòng thường nhỏ dưới 100mA và điện áp cũng thường ở mức thấp như 6v –12v-24v . RY +Vcc T1 3 8 555 T2 1 RY +Vcc T1 3 8 555 T2 1