Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Trần Tuấn Vinh

Kỹ thuật điện tử Thời lượng : 45 tiết Giáo viên : Trần Tuấn Vinh Email: vinhtt@dce.hut.edu.vn Mobile: 0982961084 Nội dung  Giới thiệu chung  Các thành phần cơ bản của mạch điện tử  Diode và các ứng dụng  Transistor và các ứng dụng  Khái niệm khuếch đại  Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán  Giới thiệu về vi điều khiển và xây dựng mạch ứng dụng Giới thiệu chung  Ta sẽ học gì trong môn này ?  Sau khi học xong ta thu được cái gì ?  Tại sao công nghệ thông tin lại phải học kỹ thuật điện tử ? Ta sẽ học gì ?  Các linh kiện điện tử cơ bản ◦ Nguồn ◦ Điện trở ◦ Tụ điện ◦ Cuộn cảm ◦ Linh kiện bán dẫn: Diode, Transistor.. ◦ Một số IC điện tử.  Cách xác định giá trị và đặc tính của linh kiện  Phân tích chức năng mạch điện  Xây dựng các mạch ứng dụng Sau khi học xong ta thu được gì ? Tại sao CNTT lại cần học kỹ thuật điện tử ?  Công nghệ thông tin không phải chỉ là một chiếc máy PC  CNTT không có mạng Internet có còn là CNTT nữa không  Các sản phẩm như điện thoại di động, PDA, máy giặt, Tivi,. có phải là ứng dụng của CNTT không ? Các đại lượng cơ bản của mạch điện  Dòng điện: ◦ Là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích. Hạt mang điện tích có thể là hạt mang điện dương (lỗ trống) hoặc các hạt mang điện âm (electron). Theo quy ước, chiều của dòng điện cùng chiều với chiều chuyển động của các hạt mang điện dương. ◦ Ký hiệu: i(t) ◦ Đơn vị: A, mA, μA, nA... Các đại lượng cơ bản của mạch điện  Điện áp (hiệu điện thế): ◦ Điện áp giữa hai điểm A và B là công cần thiết để di chuyển 1 đơn vị điện tích dương từ điểm A sang điểm B. ◦ Điện thế tại một điểm là công để di chuyển một đơn vị điện tích từ điểm đó ra xa vô cùng. Vì vậy, điện áp còn được gọi là hiệu điện thế. ◦ Ký hiệu: UAB ◦ UAB = VA – VB ◦ Đơn vị: V, mV, μV... Các thành phần cơ bản của mạch điện  Các phần tử thụ động: Là các phần tử tiêu thụ năng lượng trong mạch điện ◦ Điện trở ◦ Tụ điện ◦ Cuộn cảm ◦  Các phần tử tích cực: Là các phần tử cung cấp năng lượng cho mạch điện ◦ Nguồn điện  Nguồn một chiều  Nguồn xoay chiều  Nguồn dòng điện  Nguồn điện áp Khái niệm cơ bản  Vật dẫn (Conductor): ◦ Là vật liệu mà các electron có khả năng dịch chuyển một cách dễ dàng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. ◦ Ví dụ về một số vật dẫn:  Bạc, đồng, nhôm, sắt, thép và một số kim loại khác. Trong đó, tại nhiệt độ phòng, bạc là chất dẫn điện tốt nhất.  Một số chất lỏng như thủy ngân, nước muối... Khái niệm cơ bản  Vật cách điện (Insulator): ◦ Là vật liệu ngăn cản sự chuyển động của dòng electron. ◦ Ví dụ về một số vật cách điện:  Giấy, nhựa, gỗ khô, hầu hết các chất khí.  Nước nguyên chất Khái niệm cơ bản  Chất bán dẫn (Semiconductor): ◦ Là vật liệu trong điều kiện bình thường là chất cách điện, tuy nhiên sẽ trở thành dẫn điện khi chịu một số kích thích ví dụ như đốt nóng hoặc pha tạp chất. ◦ Ví dụ về chất bán dẫn là Silic, Germany, Selen, Gali, Điện trở  Khái niệm: điện trở là linh kiện cản trở dòng điện.  Ký hiệu:  Quan hệ điện áp-dòng điện của điện trở(định luật Ohm): R R U I  Điện trở  Giá trị điện trở R  Trong đó: ρ: điện trở suất [Ωm] l: chiều dài dây dẫn [m] S: tiết diện dây dẫn [m2] ◦ Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ.  Giá trị điện trở R đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của linh kiện. Giá trị điện trở R càng lớn thì linh kiện cản trở dòng điện càng nhiều, tức là dòng điện qua linh kiện càng nhỏ. Giá trị điện trở R càng nhỏ thì linh kiện càng cho dòng điện đi qua dễ dàng, tức là dòng điện qua linh kiện càng lớn. S l R . Điên trở  Phân loại điện trở ◦ Điện trở có giá trị xác định ◦ Điện trở có giá trị biến đổi (biến trở) Công suất tiêu thụ của điện trở  Do đặc trung chính của điện trở là cản trở dòng điện nên khi dòng điện chạy qua nó sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng , cụ thể ở đây là điện năng theo phương trình P = I2R ◦ Với P : Công suất tổn hao trên điện trở (W) ◦ I : Cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A) ◦ R : Trở kháng của điện trở (Ω)  Chính vì vậy khi phân loại điện trở trên thực tế ngưởi ta phân loại theo công suất tiêu thụ tối đa của điện trở : ◦ Điện trở công suất lớn ( > 1W) ◦ Điện trở công suất trung bình (1/4W-1W) ◦ Điện trở công suất nhỏ (1/8W – 1/4W) Phân loại theo công suất tiêu thụ của điện trở  Điện trở: là các loại điện trở có công suất trung bình và nhỏ hay là các điện trở chỉ cho phép các dòng điện nhỏ đi qua.  Điện trở công suất: là các điện trở dùng trong các mạch điện tử có dòng điện lớn đi qua hay nói cách khác, các điện trở này khi mạch hoạt động sẽ tạo ra một lượng nhiệt năng khá lớn. Chính vì thế, chúng được cấu tạo nên từ các vật liệu chịu nhiệt. Cách xác định giá trị điện trở  Biểu diễn trực tiếp  Chữ cái đầu tiên và các chữ số biểu diễn giá trị của điện trở: R(E) – Ω; K - K Ω; M - M Ω;  Chữ cái thứ hai biểu diễn dung sai: F=1% J=5% G=2% K=10% H=2,5% M=20% ◦ Ví dụ: 8K2J: R=8,2KΩ; δ=5% R=8,2KΩ ± 0.41 KΩ= 7,79KΩ 8,61KΩ  Hoặc có thể các chữ số để biểu diễn giá trị của điện trở và chữ cái để biểu diễn dung sai. Khi đó chữ số cuối cùng biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10). ◦ Ví dụ: 4703G: R=470K Ω; δ=2% Cách xác định giá trị điện trở  Xác định bằng giá trị các vạch màu Cách xác định giá trị điện trở  Đối với điện trở 4 vạch màu ◦ Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở  Đối với điện trở 5 vạch màu ◦ Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ 4: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở ◦ Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở Tụ điện  Là linh kiện có chức năng tích tụ năng lượng điện.  Cấu tạo ◦ Tụ điện gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song song với nhau, ở giữa là lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica, hay gốm, không khí). Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện (tụ giấy, tụ dầu, tụ gốm hay tụ không khí). Tụ điện  Ký hiệu: Tụ không phân cực Tụ phân cực Quan hệ điện áp – dòng điện của tụ điện:  Điện dung của tụ điện:  Trong đó ◦ ε: hằng số điện môi của chất cách điện ◦ ε0=8,85.10-12(F/m): hằng số điện môi của chân không ◦ S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực ◦ d: Khoảng cách giữa 2 bản cực  Đơn vị : F, mF, μF. Đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng điện. C C dt dU Ci  d S C .. 0 Một số thông số đặc trưng  Sai số: ◦ Là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị điện dung thực tế và giá trị danh định của tụ điện, được tính theo %  Trong đó: Ctt: điện dung thực tế Cdd: điện dung danh định  Trở kháng của tụ điện: ◦ Trở kháng của tụ điện đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều của tụ điện  Hệ số nhiệt của tụ điện: ◦ Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo o/oo: ◦ dd ddtt C CC   cc Xj fCj Z . 2 1   )/(106 Cppm C T C TCC o   Một số thông số đặc trưng  Điện áp đánh thủng: ◦ Khi đặt vào 2 bản cực của tụ điện áp một chiều, sinh ra một điện trường giữa 2 bản cực. Điện áp càng lớn thì cường độ điện trường càng lớn, do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron tự do, gây nên dòng rò. ◦ Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm mất tính chất cách điện của chất điện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ bị đánh thủng. Điện áp một chiều đặt vào tụ khi đó gọi là điện áp đánh thủng. Ứng dụng tụ điện  Tụ điện thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch định thời bởi khả năng tích tụ năng lượng điện trong một khoảng thời gian nhất định.  Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng trong các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay chiều, hay trong các mạch lọc bởi chức năng của tụ nói một cách đơn giản đó là tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều và hở mạch đối với dòng điện 1 chiều. Phân loại  Phân loại theo đặc trưng vật lý ◦ Tụ điện có phân cực (có cực xác định) ◦ Tụ điện không phân cực(không phân biệt 2 cực dương âm)  Phân loại theo cấu tạo ◦ Tụ hóa ◦ Tụ giấy ◦ Tụ gốm ◦ Tụ kẹo Một số loại tụ cơ bản  Tụ phân cực -Tụ hóa : ◦ Tụ hóa là một loại tụ có phân cực. Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp. ◦ Thông thường, các loại tụ hóa thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử dụng bằng các ký hiệu + hoặc - tương ứng với chân tụ. ◦ Có hai dạng tụ hóa thông thường đó là tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ (tụ có ghi 220μF trên hình ) và loại tụ hóa có 2 chân nối ra cùng 1 đầu trụ tròn Một số loại tụ cơ bản  Tụ hóa ◦ Trên các tụ hóa, người ta thường ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được. Nếu trường hợp điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên tụ thì tụ sẽ bị phồng hoặc nổ tụ tùy thuộc vào giá trị điện áp cung cấp. Thông thường, khi chọn các loại tụ hóa này người ta thường chọn các loại tụ có giá trị điện áp lớn hơn các giá trị điện áp đi qua tụ để đảm bảo tụ hoạt động tốt và đảm bảo tuổi thọ của tụ hóa Một số loại tụ cơ bản  Tụ không phân cực ◦ Là các tụ điện xoay chiều chịu được điện áp cao 50V-400V , không có cực xác định trên 2 chân của tụ. Có 2 cách để xác định giá trị của tụ không phân cực  Tụ dùng mã để xác định giá trị ◦ Mã số thường được dùng cho các loại tụ có giá trị nhỏ trong đó các giá trị được định nghĩa lần lượt như sau:  Giá trị thứ 1 là số hàng chục  Giá trị thứ 2 là số hàng đơn vị  Giá trị thứ 3 là giá trị 10x của tụ.  Giá trị của tụ được đọc theo chuẩn là giá trị picro Fara (pF) Một số loại tụ cơ bản  Tụ ghi giá trị 102 thì có nghĩa là 10 và thêm 2 số 0 đằng sau =1000pF = 1nF chứ không phải 102pF  Tụ ghi giá trị 473 -250 V ↔ 47 * 103 = 47000pF = 47nF và làm việc được với điện áp xoay chiều 250V. Một số loại tụ cơ bản  Tụ xoay ◦ Là tụ có giá trị có thể biến đổi khi xoay các bản cực ◦ Thường được sử dụng trong các mạch điều chỉnh radio. Chúng thường có các giá trị rất nhỏ, thông thường nằm trong khoảng từ 100pF đến 500pF. Một số loại tụ cơ bản  Tụ chặn : là các tụ xoay có giá trị rất nhỏ  Đặc điểm: ◦ Chúng thường được gắn trực tiếp lên bản mạch điện tử và điều chỉnh sau khi mạch đã được chế tạo xong. ◦ Các tụ chặn này thường có giá trị rất nhỏ, thông thường nhỏ hơn khoảng 100pF. Có điều đặc biệt là không thể giảm nhỏ được các giá trị tụ chặn về 0 nên chúng thường được chỉ định với các giá trị tụ điện tối thiểu, khoảng từ 2 tới 10 pF. Cuộn cảm  Khái niệm và đặc trưng vật lý ◦ Cuộn cảm là một phần tử thụ động trong mạch điện có tính chất ngăn cản dòng điện xoay chiều còn đối với dòng điện một chiều thì cuộn cảm lúc đó được coi đơn giản như một đoạn dây nối (ngắn mạch).  Tính chất của cuộn cảm : Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ.  Thực tế, trong các đường dây điện thẳng bình thường, khi có dòng điện chạy qua thì xung quanh đường dây xuất hiện một từ trường, chiều của từ trường này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái: Cuộn cảm  Để tăng từ trường lên, chúng ta cuộn các đoạn dây thành vòng, nhờ đó mà các từ trường kết hợp lại với nhau tạo nên cuộn cảm có từ trường mạnh hơn rất nhiều.  Khi cung cấp cho cuộn cảm một dòng điện chạy qua nó thì trong cuộn cảm xuất hiện một từ trường Cuộn cảm  Trị số của cuộn cảm phụ thuộc vào dòng điện, số vòng dây và cấu tạo của cuộn cảm.  Đơn vị đo : Henri (H)  Tuy nhiên trên thực tế các cuộn cảm thường có giá trị rất nhỏ nên đơn vị hay được sử dụng là mH = 10-3 H Cuộn cảm  Phân loại: ◦ Cuộn cảm được phân thành 2 loại chính:  Cuộn cảm có điện dung biến đổi.  Cuốn cảm có điện dung xác đinh  Thực tế hiện nay trên thị trường linh kiện điện tử các cuộn cảm thường không có trị số chính xác vì vậy trong các ứng dụng thu phát Radio (RF) cần các cuộn cảm có độ chính xác cao nhiều khi ta phải tự cuốn lấy cuộn cảm . Ứng dụng của cuộn cảm  Biến áp. Ứng dụng của cuộn cảm  Nam châm điện Ứng dụng của cuộn cảm  Micoro điện động , loa điện động Linh kiện bán dẫn  Diode  Transistor  Ta sẽ tìm hiểu ở các chương sau Nguồn dòng điện  Khái niệm và ứng dụng ◦ Nguồn dòng là một mạch điện cung cấp một dòng điện không phụ thuộc tải.  Nguồn dòng có rất nhiều ứng dụng : ◦ Nguồn dòng tín hiệu khi cần truyền đi xa: để tránh sai số do điện trở đường dây, nhiễu điện áp cảm ứng... ◦ Nguồn dòng trong các mạch nạp xả tụ điện, nhằm tuyến tính hóa điện áp nạp và xả. ◦ Nguồn dòng trong các mạch cấp điện cho diode zenner, để có điện áp ổn định. ◦ Nguồn dòng cho các mạch đo lường dựa trên điện áp trên hai đẩu điện trở Nguồn dòng điện  Phân loại : ◦ Nguồn dòng cố định: cho dòng ra ổn định và không thay đổi. ◦ Nguồn dòng phụ thuộc: cho dòng ra tỷ lệ với một áp điều khiển đầu vào ◦ Nguồn dòng điện xoay chiều (ít sử dụng) Nguồn dòng điện  Cách lắp đặt:  Các mạch nguồn dòng đơn giản và không cần chính xác lắm, ta có thể mắc bằng chỉ 1 hoặc 2 tranistor. Nguồn dòng điện  Cách lắp đặt:  Nguồn chính xác hơn có thể ráp bằng OpAmp.  Các nguồn dòng cố định có thể dùng các IC tạo dòng chuyên nghiệp Nguồn áp  Khái niệm và ứng dụng : ◦ Nguồn áp là mạch cung cấp một điện áp không phụ thuộc tải, hay không phụ thuộc dòng điện chạy qua. Ví dụ: nguồn điện lưới, pin, accu, các mạch nguồn cơ bản như mạch nguồn dùng Zenner diode ,... Tuỳ theo yêu cầu mạch ứng dụng mà loại nguồn áp được sử dụng  Phân loại ◦ Nguồn áp cố định  VD : Pin , Acquy ◦ Nguồn áp phụ thuộc.  VD: Nguồn sử dụng mạch chỉnh lưu , nguồn điện lưới Nguồn áp  Cách mắc mạch  Mắc mạch sử dụng chỉnh lưu cầu và IC LM78xx : I N 1 O U T 3 G N D 2 U 1 7 8 2 4 C 1 1 0 0 0 u F 24VdcOut +20Vac Gnd D 1 Bridge1 C1b 1 0 u F So sánh  Nguồn áp lý tưởng có trở kháng nguồn là 0 Ohm, còn thực tế thì rất nhỏ, dưới 1 Ohm.  Nguồn dòng ngược lại có trở kháng nguồn là vô cùng lớn (lý tưởng).  Trong trường hợp nguồn áp được làm từ một số transistor, ở tần số thấp, điện trở nguồn cỡ vài Mega Ohm.  Về nguyên tắc, tải của nguồn dòng không được là một giá trị vô cùng lớn và tải của nguồn áp kô đc là ngắn mạch. Nguồn một chiều  Nguồn một chiều: ◦ Là nguồn có độ lớn và cực tính không đổi theo thời gian: pin và ắc quy. Hai thông số quan trọng của nguồn một chiều đó là: điện áp và điện lượng.  Ký hiệu:  Điện lượng danh định là dung lượng điện được nạp vào nguồn, có đơn vị là Ah (Ampe_giờ). Ví dụ một ắc quy có điện lượng là 100Ah, nếu cấp cho mạch ngoài 1 dòng điện 2A thì thời gian sử dụng là: h I Q t 50 2 100  Nguồn xoay chiều  Là nguồn có độ lớn và cực tính thay đổi theo thời gian. Thông dụng nhất là nguồn xoay chiều tuần hoàn dạng sin, xung vuông và tam giác Định luật Kỉchhoff  Định luật 1: Định luật dòng điện tại một nút  Tại 1 nút mạch, tổng các dòng điện vào bằng tổng các dòng điện ra.  Ví dụ :  Theo định luật Kirchhoff về dòng điện tại một nút, tại nút A ta có: I2 + I4 + I5 = I1 + I3 hoặc: –I1 + I2 – I3 + I4 + I5 =0   rv II Định luật Kirchhoff  Định luật 2: Định luật Kirchhoff về vòng điện áp ◦ Trên 1 vòng mạch kín, tổng các đại số các điện áp thành phần bằng 0. Trong đó, các điện áp cùng chiều với chiều quy ước thì lấy dấu dương, các điện áp ngược chiều với chiều quy ước thì lấy dấu âm  Ví dụ : ◦ Xét vòng điện áp cùng chiều với chiều quay kim đồng hồ như hình Ta có: U1 –U2 – U3 – U4 + U5 =0