Vi Điều Khiển

Chào mừng các bạn đến với thế giới của Vi điều khiển!

--welcome to the world of microcontrollers^^ --

Điện Tử Cơ Bản

nơi khởi đầu

Lập Trình

linh hồn của phần cứng

Chủ Nhật, ngày 29 tháng 4 năm 2012

Thyristor - Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động


Cấu tạo Thyristor     Ký hiệu của Thyristor     Sơ đồtương tương
Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) .  Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G,  Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn..

Mosfet - Cấu Tạo, Nguyên Tắc Hoạt Động


Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor  thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính .

Tụ Điện - Cách Đọc Giá Trị Tụ Điện


Tụ điện : Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv…
1. Cấu tạo của tụ điện .
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi.
Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá.

Transistor



1 – Giới thiệu về Transistor
1.1 – Cấu tạo của Transistor. ( Bóng bán dẫn )
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối
tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu
ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo
Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .

Điện Trở - Cách Đọc Giá Trị Điện Trở


Điện trở là gì ? Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn.
Điện trở của dây dẫn :Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây. được tính theo công thức sau:
R = ρ.L / S
  • Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu
  • L là chiều dài dây dẫn
  • S là tiết diện dây dẫn
  • R là điện trở đơn vị là Ohm
a) Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.
Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Thứ Hai, ngày 23 tháng 4 năm 2012

VHDL là gì? Giới Thiệu Ngôn Ngữ Mô Phỏng Phần Cứng VHDL


        Hiện nay các mạch tích hợp ngày càng thực hiện được nhiều chức năng hơn, do đó chúng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống như dùng tối thiểu hoá hàm Boolean hay dùng sơ đồ các phần tử không còn đáp ứng được các yêu cầu đặt ra khi thiết kế. Hơn nữa các mạch thiết kế ra yêu cầu phải được thử nghiệm kỹ lưỡng trước khi đưa vào chế tạo hàng loạt.
        Hơn nữa cần phải xây dựng một bộ tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu và thống nhất. Vì thế người ta thường sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng làm phương tiện thiết kế, mô phỏng thử nghiệm các hệ thống số.
        Bài viết này sẽ giới thiệu về một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng thông dụng hiện nay; Ðó là ngôn ngữ mô phỏng phần cứng dùng cho mạch tích hợp tốc độ cao (Very high speed Intergrated Circuit Hardware Description Language).

I - Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL).

1.
 Các phương pháp thiết kế truyền thống.
a/ Phương pháp thiết kế dùng hàm Boolean.
        Tất cả các mạch dựa trên các phần tử logic cơ bản gồm cổng logic và các mạch flip-flop đều có thể thiết kế bằng các hàm Boolean. Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để tối thiểu hoá hàm Boolean nhằm tăng tính hiệu quả sử dụng các phần tử logic, chẳng hạn như phương pháp dùng bìa cácnô. Về mặt lý thuyết bất kỳ hệ thống số nào cũng có thể biểu diễn dưới dạng các hàm Boolean. Nhưng việc tối thiểu hoá cũng như xử lý hàng nghìn hàm logic rõ ràng là không thực tế. Trong khi các yêu cầu thiết kế hệ thống hiện nay đòi hỏi tới hàng nhiều nghìn hàm Boolean.

Hình 1. Minh hoạ cho phương pháp thiết kế bằng hàm Boolean.

Thứ Bảy, ngày 21 tháng 4 năm 2012

Bộ Chuyển Đổi Số - Tương Tự : DAC


        Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác  định là một trong hai khả năng là 0 hoặc 1, cao hay thấp, đúng hoặc sai, vv… Trong thực tế chúng ta thấy rằng một đại lượng số (chẳng hạn mức điện thế) thực ra có thể có một giá trị bất kỳ nằm trong khoảng xác định và ta định rõ các giá trị trong phạm vi xác định sẽ có chung giá trị dạng số.
Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V là mức logic 0, từ 2V đến 5V là mức logic 1
Như vậy thì bất kỳ mức điện thế nào nằm trong khoảng 0 – 0,8V đều mang giá trị số là logic 0, còn mọi điện thế nằm trong khoảng 2 – 5V đều được gán giá trị số là 1.
Ngược lại trong kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự có thể lấy giá trị bất kỳ trong một khoảng giá trị liên tục. Và điều quan trọng hơn nữa là giá trị chính xác của đại lượng tương tự là là yếu tố quan trọng.
Hầu hết trong tự nhiên đều là các đại lượng tương tự như nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, … Do đó muốn xử lý trong một  hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi sang dạng đại lượng số mới có thể xử lý và điều khiển các hệ thống được. Và ngược lại có những hệ thống tương tự cần được điều khiển chúng ta cũng phải chuyển đổi từ số sang tương tự. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình chuyển đổi từ số sang tương tự -DAC (Digital to Analog Converter).
Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới dạng mã số ( digital code ) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng điện tỉ lệ với giá trị số. Hình 5.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ chuyển đổi DAC.

Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết qua của một thay đổi ở đầu vào số.
        Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn định độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh hơn DAC 8 bit. DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn.
        Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB. Còn gọi là kích thước bậc thang (step size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay đổi từ bước này sang bước khác.
Dạng sóng bậc thang (hình 5.2) có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào nhưng chỉ có 15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại. Với DAC có N bit thì tổng số  mức khác nhau sẽ là 2N, và tổng số bậc sẽ là 2N – 1.
Do đó độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của DAC.
Đầu ra tương tự = K x đầu vào số
                Với K là mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc.
Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau:
Với   là đầu ra cực đại ( đầy thang )
                                     N là số bit
Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau:
Ví dụ như hình 5.1 ta có
 

Ví dụ 1: Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10mV. Hãy xác định điện thế đầu ra cực đại ( đầy thang ) và tỷ lệ % độ phân giải.
Giải:
DAC có 10 bit nên ta có
Số bậc là 210 – 1 = 1023 bậc
Với mỗi bậc là 10mV nên đầu ra cực đại sẽ là 10mVx1023 = 10.23V
Từ ví dụ trên cho thấy tỷ lệ phần trăm độ phân giải giảm đi khi số bit đầu vào tăng lên. Do đó ta còn tính được % độ phân giải theo công thức:
 
            Với mã đầu vào nhị phân N bit ta có tổng số bậc là 2N – 1 bậc.

    Có nhiều cách đánh giá độ chính xác. Hai cách thông dụng nhất là sai số toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được biểu biễn ở dạng phần trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi.
    Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), được biểu diễn ở dạng phần trăm.
    Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng.
Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân giải phải tương thích với nhau.


    Theo lý tưởng thì đầu ra của DAC sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân toàn là bit 0. Tuy nhiên trên thực tế thì mức điện thế ra cho trường hợp này sẽ rất nhỏ, gọi là sai số lệch ( offset error). Sai số này nếu không điều chỉnh thì sẽ được cộng vào đầu ra DAC dự kiến trong tất cả các trường hợp.
     Nhiều DAC có tính năng điều chỉnh sai số lệch ở bên ngoài, sẽ cho phép chúng ta triệt tiêu độ lệch này bằng cách áp mọi bit 0 ở đầu vào DAC và theo dõi đầu ra. Khi đó ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch cho đến khi nào đầu ra bằng 0V.


    Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để đầu ra DAC đi từ zero đến bậc thang cao nhất khi đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn 0 đến chuổi bit toàn là 1. Thực tế thời gian ổn định là thời gian để đầu vào DAC ổn định trong phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng.
    Ví dụ:  Một DAC có độ phân giải 10mV thì thời gian ổn định được đo là thời gian đầu ra cần có để ổn định trong phạm vi 5mV của giá trị đầy thang.
Thời gian ổn định có giá trị biến thiên trong khoảng 50ns đến 10ns. DAC với đầu ra dòng có thời gian ổn định ngắn hơn thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế.


    DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) nếu đầu ra của nó tăng khi đầu vào nhị phân tăng dần từ giá trị này lên giá trị kế tiếp. Nói cách khác là đầu ra bậc thang sẽ không có bậc đi xuống khi đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang.
Tỉ số phụ thuộc dòng:
    DAC chất lượng cao yêu cầu sự ảnh hưởng của biến thiên điện áp nguồn đối với điện áp đầu ra vô cùng nhỏ. Tỉ số phụ thuộc nguồn là tỉ số biến thiên mức điện áp đầu ra với biến thiên điện áp  nguồn gây ra nó.
    Ngoài các thông số trên chúng ta cần phải quan tâm đên các thông số khác của một DAC  khi sử dụng như: các mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, của đầu vào; dải rộng, điện trở, điện dung của đầu ra; hệ số nhiệt, …


Hình 5.3 là sơ đồ mạch của một mạch DAC 4 bit dùng điện trở và bộ khuếch đại đảo. Bốn đầu vào A, B, C, D có giá trị giả định lần lượt là 0V và 5V.
    Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) được dùng làm bộ cộng đảo cho tổng trọng số của bốn mức điện thế vào. Ta thấy các điện trở đầu vào giảm dần 1/2 lần điện trở trước nó. Nghĩa là đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, vì vậy bộ khuếch đại cộng chuyển ngay mức điện thế tại D đi mà không làm suy giảm (vì Rf = 1k). Đầu vào C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4 và đầu vào A giảm 1/8. Do đó đầu ra bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức:
dấu âm (-) biểu thị bộ khuếch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đảo. Dấu âm này chúng ta không cần quan tâm.
Như vậy ngõ ra của bộ khuếch đại cộng là mức điện thế tương tự, biểu thị tổng trọng số của các đầu vào. Dựa vào biểu thức (4) ta tính được các mức điện áp ra tương ứng với các tổ hợp của các ngõ vào (bảng 5.1).
Bảng 5.1  Đầu ra ứng với điều kiện các đầu vào thích hợp ở 0V hoặc 5V.
    Độ phân giải của mạch DAC hình 5.2 bằng với trọng số của LSB, nghĩa là bằng x 5V = 0.625V. Nhìn vào bảng 5.1 ta thấy đầu ra tương tự tăng 0.625V khi số nhị phân ở đầu vào tăng lên một bậc.
Ví dụ 2:
a. Xác định trọng số của mỗi bit đầu vào ở hình 5.2
b. Thay đổi Rf thành 500W.Xác định đầu ra cực đại đầy thang.
Giải:
a. MSB chuyển đi với mức khuếch đại = 1 nên trọng số của nó ở đầu ra là 5V. Tương tự như vậy ta tính được các trọng số của các bit đầu vào như sau:
MSB                     #   5V
MSB thứ 2             #   2.5V (giảm đi 1/2)
MSB thứ 3             #   1.25V (giảm đi 1/4)
MSB thứ 4  (LSB)    #   0.625V (giảm đi 1/8)
b. Nếu Rf = 500W giảm theo thừa số 2, nên mỗi trọng số đầu vào sẽ nhỏ hơn 2 lần so với giá trị tính ở trên. Do đó đầu ra cực đại ( đầy thang) sẽ giảm theo cùng thừa số, còn lại: -9.375/2 = -4.6875V

Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng số nhị phân tạo trọng số thích hợp cho từng bit vào. Tuy nhiên có nhiều hạn chế trong thực tế. Hạn chế lớn nhất đó là khoảng cách chênh lệch đáng kể ở giá trị điện trở giữa LSB và MSB, nhất là trong các DAC có độ phân giải cao (nhiều bit). Ví dụ nếu điện trở MSB = 1k trong DAC 12 bit, thì điện trở LSB sẽ có giá trị trên 2M. Điều này rất khó cho việc chế tạo các IC có độ biến thiên rộng về điện trở để có thể duy trì tỷ lệ chính xác.
Để khắc phục được nhược điểm này, người ta đã tìm ra một mạch DAC đáp ứng được yêu cầu đó là mạch DAC mạng R/2R ladder. Các điện trở trong mạch này chỉ biến thiên trong khoảng từ 2 đến 1. Hình 5.4 là một mạch DAC R/2R ladder cơ bản.
Từ hình 5.4 ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được sử dụng là R và 2R. Dòng IOUT phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0B1B2B3chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra IOUT được phép chạy qua bộ  biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện thế ra VOUT. Điện thế ngõ ra VOUT được tính theo công thức:
Với B là giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15)
Ví dụ 3: Giả sử VREF = 5V của DAC ở hình 5.4. Tính độ phân giải và đầu ra cực đại của DAC này?
Giải
        Độ phân giải bằng với trọng số của LSB, ta xác định trọng số LSB bằng cách gán B = 00012 = 1. Theo công thức (5), ta có:
Đầu ra cực đại xác định được khi B = 11112 = 1510. Áp dụng công thức (5) ta có:


        Trong các thiết bị kỹ thuật số đôi lúc cũng đòi hỏi quá trình điều khiển bằng dòng điện. Do đó người ta đã tạo ra các DAC với ngõ ra dòng để đáp ứng yêu cầu đó. Hình 5.5 là một DAC với ngõ ra dòng tương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân. Mạch DAC này 4 bit, có 4 đường dẫn dòng song song mỗi đường có một chuyển mạch điều khiển. Trạng thái của mỗi chuyển mạch bị chi phối bởi mức logic đầu vào nhị phân.
Dòng chảy qua mỗi đường là do mức điện thế quy chiếu VREF và giá trị điện trở trong đường dẫn quyết định. Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, nên cường độ dòng điện cũng có trọng số theo hệ số 2 và tổng cường độ dòng điện ra IOUT sẽ là tổng các dòng của các nhánh.
DAC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) như hình 5.6.
Ở hình trên IOUT ra từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” của bộ khuếch đại thuật toán. Hồi tiếp âm của bộ khuếch đại thuật toán buộc dòng IOUT phải chạy qua RF và tạo điện áp ngõ ra VOUT  và được tính theo công thức:
Do đó VOUT sẽ là mức điện thế tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân của DAC.


Hình 5.7 là sơ đồ DAC điện trở hình T 4 bit. Trong sơ đồ có hai loại điện trở là R và 2R được mắc thành 4 cực hình T nối dây chuyền. Các S3, S2, S1, S0 là các chuyển mạch điện tử. Mạch DAC này dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) khuếch đại đảo. VREF là điện áp chuẩn làm tham khảo. B3, B2, B1, B0 là mã nhị phân 4 bit. Vo là điện áp tương tự ngõ ra. Ta thấy các chuyển mạch chịu sự điểu khiển của số nhị phân tương ứng với các công tắc:  khi Bi = 1 thì công tắc Si đóng vào VREF, kho Bi = 0 thì Si nối đất.
Nguyên lý làm việc của DAC này cũng đơn giản. Người đọc có thể giải thích được hoạt động của mạch dựa trên hình vẽ và những kiến thức đã học. Chúng ta chỉ cần cho lần lượt các bit Bi bằng logic 1 và 0 ta sẽ tính được VOUT sau đó dùng nguyên xếp chồng ta sẽ tính được điện áp ra:
Biểu thức (7) chứng tỏ rằng biên độ điện áp tương tự đầu ra tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào. Chúng ta có thể thấy rằng đối với DAC điện trở hình T N bit thì điện áp tương tự đầu ra VOUT sẽ là:
Sai Số Chuyển Đổi
Đối với mạch DAC điện trở hình T thì sai số chuyển đổi do các nguyên nhân sau:
K     Sai lệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF .
Từ công thức (8) ta có thể tính sai số chuyển đổi DA do riêng sai số lệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF gây ra như sau:
Biểu thức trên cho thấy sai số của điện áp tương tự DVOUT tỉ lệ với sai lệch DVREF và tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào.
K     Sự trôi điểm 0 của khuếch đại thuật toán.
Sự trôi điểm 0 của bộ khuếch đại thuật toán ảnh hưởng như nhau đối với mọi giá trị tín hiệu số được biến đổi. Sai số DVOUT do trôi điểm 0 không phụ thuộc giá trị tín hiệu số.
K     Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm chuyển mạch.
Các chuyển mạch không phải là lý tưởng, thực tế điện áp rơi khi nối thông của mạch điện chuyển mạch không thể tuyệt đối bằng 0. Vậy điện áp rơi này đóng vai trò tín hiệu sai số đưa đến đầu vào mạng điện trở hình T.
K     Sai số của điện trở .
Sai số điện trở cũng gây ra sai số phi tuyến. Sai số của các điện trở không như nhau, tác động gây sai số chuyển đổi DA của những điện trở khác nhau về vị trí là khác nhau.
Tốc độ chuyển đổi:
DAC điện trở hình T công tác song song (các bit tín hiệu số đầu vào được đưa vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao. Thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi gồm hai gai đoạn: thời gian trể truyền đạt của bit tín hiệu vào xa nhất đến bộ khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu ra.


Có nhiều phương pháp và sơ đồ mạch giúp tạo DAC vận hành như đã giới thiệu. Sau đây là một số dạng mạch DAC cơ bản sẽ giúp chúng ta hiểu rõ và sâu hơn về quá trình chuyển đổi từ số sang tương tự.
Hình 5.3 là sơ đồ mạch của một mạch DAC 4 bit dùng điện trở và bộ khuếch đại đảo. Bốn đầu vào A, B, C, D có giá trị giả định lần lượt là 0V và 5V.
    Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) được dùng làm bộ cộng đảo cho tổng trọng số của bốn mức điện thế vào. Ta thấy các điện trở đầu vào giảm dần 1/2 lần điện trở trước nó. Nghĩa là đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, vì vậy bộ khuếch đại cộng chuyển ngay mức điện thế tại D đi mà không làm suy giảm (vì Rf = 1k). Đầu vào C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4 và đầu vào A giảm 1/8. Do đó đầu ra bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức:
dấu âm (-) biểu thị bộ khuếch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đảo. Dấu âm này chúng ta không cần quan tâm.
Như vậy ngõ ra của bộ khuếch đại cộng là mức điện thế tương tự, biểu thị tổng trọng số của các đầu vào. Dựa vào biểu thức (4) ta tính được các mức điện áp ra tương ứng với các tổ hợp của các ngõ vào (bảng 5.1).
Bảng 5.1  Đầu ra ứng với điều kiện các đầu vào thích hợp ở 0V hoặc 5V.
    Độ phân giải của mạch DAC hình 5.2 bằng với trọng số của LSB, nghĩa là bằng x 5V = 0.625V. Nhìn vào bảng 5.1 ta thấy đầu ra tương tự tăng 0.625V khi số nhị phân ở đầu vào tăng lên một bậc.
Ví dụ 2:
a. Xác định trọng số của mỗi bit đầu vào ở hình 5.2
b. Thay đổi Rf thành 500W.Xác định đầu ra cực đại đầy thang.
Giải:
a. MSB chuyển đi với mức khuếch đại = 1 nên trọng số của nó ở đầu ra là 5V. Tương tự như vậy ta tính được các trọng số của các bit đầu vào như sau:
MSB                        #   5V
MSB thứ 2             #   2.5V (giảm đi 1/2)
MSB thứ 3             #   1.25V (giảm đi 1/4)
MSB thứ 4  (LSB) #   0.625V (giảm đi 1/8)
b. Nếu Rf = 500giảm theo thừa số 2, nên mỗi trọng số đầu vào sẽ nhỏ hơn 2 lần so với giá trị tính ở trên. Do đó đầu ra cực đại ( đầy thang) sẽ giảm theo cùng thừa số, còn lại: -9.375/2 = -4.6875V

Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng số nhị phân tạo trọng số thích hợp cho từng bit vào. Tuy nhiên có nhiều hạn chế trong thực tế. Hạn chế lớn nhất đó là khoảng cách chênh lệch đáng kể ở giá trị điện trở giữa LSB và MSB, nhất là trong các DAC có độ phân giải cao (nhiều bit). Ví dụ nếu điện trở MSB = 1k trong DAC 12 bit, thì điện trở LSB sẽ có giá trị trên 2M. Điều này rất khó cho việc chế tạo các IC có độ biến thiên rộng về điện trở để có thể duy trì tỷ lệ chính xác.
Để khắc phục được nhược điểm này, người ta đã tìm ra một mạch DAC đáp ứng được yêu cầu đó là mạch DAC mạng R/2R ladder. Các điện trở trong mạch này chỉ biến thiên trong khoảng từ 2 đến 1. Hình 5.4 là một mạch DAC R/2R ladder cơ bản.
Từ hình 5.4 ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được sử dụng là R và 2R. Dòng IOUT phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0B1B2B3chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra IOUT được phép chạy qua bộ  biến đổi dòng thành điện (Op Amp) để biến dòng thành điện thế ra VOUT. Điện thế ngõ ra VOUT được tính theo công thức:
Với B là giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15)
Ví dụ 3: Giả sử VREF = 5V của DAC ở hình 5.4. Tính độ phân giải và đầu ra cực đại của DAC này?
Giải
        Độ phân giải bằng với trọng số của LSB, ta xác định trọng số LSB bằng cách gán B = 00012 = 1. Theo công thức (5), ta có:
Đầu ra cực đại xác định được khi B = 11112 = 1510. Áp dụng công thức (5) ta có:


        Trong các thiết bị kỹ thuật số đôi lúc cũng đòi hỏi quá trình điều khiển bằng dòng điện. Do đó người ta đã tạo ra các DAC với ngõ ra dòng để đáp ứng yêu cầu đó. Hình 5.5 là một DAC với ngõ ra dòng tương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân. Mạch DAC này 4 bit, có 4 đường dẫn dòng song song mỗi đường có một chuyển mạch điều khiển. Trạng thái của mỗi chuyển mạch bị chi phối bởi mức logic đầu vào nhị phân.
Dòng chảy qua mỗi đường là do mức điện thế quy chiếu VREF và giá trị điện trở trong đường dẫn quyết định. Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, nên cường độ dòng điện cũng có trọng số theo hệ số 2 và tổng cường độ dòng điện ra IOUT sẽ là tổng các dòng của các nhánh.
DAC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op Amp) như hình 5.6.
Ở hình trên IOUT ra từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” của bộ khuếch đại thuật toán. Hồi tiếp âm của bộ khuếch đại thuật toán buộc dòng IOUT phải chạy qua RF và tạo điện áp ngõ ra VOUT  và được tính theo công thức:
Do đó VOUT sẽ là mức điện thế tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân của DAC.



Hình 5.7 là sơ đồ DAC điện trở hình T 4 bit. Trong sơ đồ có hai loại điện trở là R và 2R được mắc thành 4 cực hình T nối dây chuyền. Các S3, S2, S1, S0 là các chuyển mạch điện tử. Mạch DAC này dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op Amp) khuếch đại đảo. VREF là điện áp chuẩn làm tham khảo. B3, B2, B1, B0 là mã nhị phân 4 bit. Vo là điện áp tương tự ngõ ra. Ta thấy các chuyển mạch chịu sự điểu khiển của số nhị phân tương ứng với các công tắc:  khi Bi = 1 thì công tắc Si đóng vào VREF, kho Bi = 0 thì Si nối đất.
Nguyên lý làm việc của DAC này cũng đơn giản. Người đọc có thể giải thích được hoạt động của mạch dựa trên hình vẽ và những kiến thức đã học. Chúng ta chỉ cần cho lần lượt các bit Bi bằng logic 1 và 0 ta sẽ tính được VOUT sau đó dùng nguyên xếp chồng ta sẽ tính được điện áp ra:
Biểu thức (7) chứng tỏ rằng biên độ điện áp tương tự đầu ra tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào. Chúng ta có thể thấy rằng đối với DAC điện trở hình T N bit thì điện áp tương tự đầu ra VOUT sẽ là:
Sai Số Chuyển Đổi
Đối với mạch DAC điện trở hình T thì sai số chuyển đổi do các nguyên nhân sau:
K     Sai lệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF .
Từ công thức (8) ta có thể tính sai số chuyển đổi DA do riêng sai số lệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF gây ra như sau:
Biểu thức trên cho thấy sai số của điện áp tương tự DVOUT tỉ lệ với sai lệch DVREF và tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào.
K     Sự trôi điểm 0 của khuếch đại thuật toán.
Sự trôi điểm 0 của bộ khuếch đại thuật toán ảnh hưởng như nhau đối với mọi giá trị tín hiệu số được biến đổi. Sai số DVOUT do trôi điểm 0 không phụ thuộc giá trị tín hiệu số.
K     Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm chuyển mạch.
Các chuyển mạch không phải là lý tưởng, thực tế điện áp rơi khi nối thông của mạch điện chuyển mạch không thể tuyệt đối bằng 0. Vậy điện áp rơi này đóng vai trò tín hiệu sai số đưa đến đầu vào mạng điện trở hình T.
K     Sai số của điện trở .
Sai số điện trở cũng gây ra sai số phi tuyến. Sai số của các điện trở không như nhau, tác động gây sai số chuyển đổi DA của những điện trở khác nhau về vị trí là khác nhau.
Tốc độ chuyển đổi:
DAC điện trở hình T công tác song song (các bit tín hiệu số đầu vào được đưa vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao. Thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi gồm hai gai đoạn: thời gian trể truyền đạt của bit tín hiệu vào xa nhất đến bộ khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu ra.

(Nguồn: vinacel) 

Chủ Nhật, ngày 15 tháng 4 năm 2012

Download Proteus 7.8 SP2 FULL


Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola.

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khá tốt, nó hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 ... các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet,... ngòai ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả.
Hoàn toàn tương thích vơí windows 7.
Phía dưới là link tải bản FULL, có hướng dẫn cài đặt bằng hình ảnh:

Download bản 7.8 SP2 FULL.

Pass: dientumaytinh.com

Thứ Bảy, ngày 14 tháng 4 năm 2012

Mạch cầu H - Điều khiển Đảo chiều Động Cơ


Mạch cầu H


Giới thiệu về mạch cầu H:
+Mạch cầu H(HB-ridge Circuit)
+Mạch cầu H dùng Relay.
+Mạch cầu H dùng BJT công suất.
+Mạch cầu H dùng MOSFET.
 I. Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).
      Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn điện DC (ắc qui điện – battery). Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu dây (A với (-), B với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay. Tất nhiên khi bạn là một “control guy” thì bạn không hề muốn làm công việc “động tay động chân” này (đảo chiều đấu dây), bạn ắt sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động thực hiện việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn. Như thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng. Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng “tầm thường” như thế. Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này có hình chữ cái H. Xem minh họa trong hình 1.

Hình 1. Mạch cầu H.
     Trong hình 1, hãy xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua các hình minh họa 2a và 2b.    

Hình 2. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
     Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết kế mạch) mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), bạn dễ dàng hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND (như hình 2a).  Như thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B. Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND). Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) bằng “một cách nào đó”.
     Chuyện gì sẽ xảy ra nếu ai đó đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1 và L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Rất dễ tìm câu trả lời, đó là hiện tượng “ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra. Cách đóng các khóa như thế này là điều “đại kị” đối với mạch cầu H. Để tránh việc này xảy ra, người ta thường dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết rõ hơn về mạch logic này trong các phần sau.
     Giả thuyết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên cùng đóng (ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường hợp này, cả 2 đầu A, B của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Nói chung, chúng ta nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này.
     Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể. Như tôi đã trình bày trong phần trước, thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng relay, BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung vào 3 loại linh kiện này. Trong mỗi cách thiết kế, tôi sẽ giải thích ngắn gọn nguyên lý cấu tạo và hoạt động của từng loại linh kiện để bạn đọc dễ nắm bắt hơn.
      Relay là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện (electrical mechanical device, không phải cơ điện tử đâu nhé :) ). Gọi là công tắc cơ điện vì chúng gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Với khả năng đóng mở các tiếp điểm,  Relay đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H. Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa là chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển  Relay, qua đó điều khiển mạch cầu H. Hãy quan sát cấu tạo và hình dáng của một loại  Relay thông dụng trong hình 3.

Hình 3. Cấu tạo và hình dáng Relay.
     Hình 3a (phía trên) mô tả cấu tạo của 1  Relay 2 tiếp điểm. Có 3 cực trên  Relay này. Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp điểm thường đóng (Normal Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal Open). Trong điều kiện bình thường, khi  Relay không hoạt động, do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành một kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là  tiếp điểm thường đóng (bình thường đã đóng). Khi một điện áp được áp vào 2 đường kích Solenoid (cuộn dây của nam châm điện), nam châm điện tạo ra 1 lực từ kéo thanh nam châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và NO. Hoạt động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích Solenoid. Một đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của  Relay là tính “cách li”. Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của  Relay , và vì thế sẽ rất an toàn. Có 2 thông số quan trọng cho 1  Relay là điện áp kích Solenoid và dòng lớn nhất mà các điểm điểm chịu được. Điện áp kích solenoid thường là 5V, 12V hoặc 24V, việc kích solenoid chính là công việc của chip điều khiển (ví dụ AVR). Vì tiếp xúc giữa cực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp xúc. Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn  Relay phù hợp.
     Hình 3a (phía dưới) là ký hiệu của một 
Relay mà bạn có thể gặp trong các phần mềm thiết kế mạch điện tử. Trong ký hiệu này, chân 1 là chân C, chân 2 là tiếp điểm NC và chân 3 là tiếp điểm NO, trong khi đó hai chân 4 và 5 là 2 đầu của cuộn solenoid. Chúng ta sẽ  dùng ký hiệu này khi vẽ mạch cầu H dùng  Relay . Sơ đồ một mạch cầu H đầu đủ dùng  Relay được minh họa trong hình 4.
relay h bridge
Hình 4. Mạch cầu H dùng  Relay .
     Trong mạch cầu H dùng Relay ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đường kích solenoid không được nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc kích các transistor lại được thực hiện qua các điện trở. Tạm thời chúng ta gọi tổ hợp điện trở + transistor là “mạch kích”, tôi sẽ giải thích rõ hơn hoạt động của mạch kích trong phần tiếp theo.
     Mạch cầu H dùng
Relay có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay Relay bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của Relay rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng. Vì vậy, mạch cầu H bằng Relay không được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các linh điện có thể thay thế Relay trong mạch cầu H, gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên đến hàng nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây.
      BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo. Trong tất cả các tài liệu về điện tử cơ bản đều giải thích về bán dẫn và BJT, trong tài liệu này tôi chỉ giới thiệu khái quát cấu tạo của transistor và chủ yếu là các chế độ hoạt động của transistor.
     Bán dẫn là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si) là một ví dụ điển hình, các nguyên tố này có 4 electron ở lớp ngoài cùng. Ở trạng thái thường, Si là chất dẫn điện kém (gần như không dẫn điện), khi nhiệt độ tăng, các electron dao động mạnh và dễ dàng bị “bứt” ra khỏi tinh thể và do đó tính dẫn điện của bán dẫn sẽ tăng. Tuy nhiên, bán dẫn được dùng để chế tạo linh kiện điện tử không phải là các tinh thể thuần khiết mà có pha “tạp chất”. Nếu pha nguyên tố nhóm V (như Photpho) vào Si, 4 electron lớp ngoài cùng của P tạo liên kết công hóa trị với Si và có 1 electron của P bị “thừa” (vì P có 5 electron lớp ngoài cùng). Chất bán dẫn có pha Photpho vì thế rất dễ dẫn điện và có tính chất “âm” nên gọi là bán dẫn loại n (Negative), “hạt dẫn” trong bán dẫn loại n là electron (e thừa). Trường hợp nguyên tố nhóm III, như Bo (Boron), được pha vào Si, 3 electron lớp ngoài cùng của Bo kết hợp với 4 electron của Si tuy nhiên vẫn còn 1 “chỗ trống” sẵn sàng nhận electron. “Chỗ  trống” này được gọi là “lỗ trống” và có tính chất như 1 loại hạt dẫn dương. Bán dẫn loại này vì thế gọi là bán dẫn loại p (Positive). Mức độ pha tạp chất quyết định độ dẫn của bán dẫn. Tuy nhiên, bán dẫn có pha tạp chất dù đã cải thiện tính dẫn điện vẫn không có nhiều tác dụng, “điều kỳ diệu” chỉ xảy ra khi ghép chúng lại với nhau.
      Khi ghép bán dẫn loại p và loại n với nhau tạo thành tiếp xúc p-n (p-n junction), đây chính là các diode. Đặc điểm của tiếp xúc p-n là chỉ có dòng điện chạy qua theo 1 chiều từ p sang n. Khi ghép 3 lớp bán dẫn sẽ tạo thành transistor, phụ thuộc vào thứ tự bán dẫn được ghép chúng ta có transistor npn hay pnp. Tôi sẽ chọn transistor npn để giải thích hoạt động của transistor vì loại này được dùng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển (và cả trong mạch cầu H). Hình 5 là mô hình và ký kiệu của transistor npn.

Hình 5. Transistor npn.
       Ba lớp bán dẫn n, p và n kết hợp tạo thành 3 cực C (cực thu-Collector), cực B (nền – Base) và cực E (phát – Emitter). Tùy theo cách mắc transistor mà người ta có các loại phân cực khác nhau, trong hình 6 tôi trình bày cách phân cực rất cơ bản mà chúng ta sẽ dùng sau này, phân cực E chung (CE- Common Emitter).

Hình 6. Phân cực E chung cho npn BJT.
     Tuy là được tạo nên từ các bán dẫn tạp chất nhưng nồng độ tạp chất của các lớp trong npn BJT rất khác nhau. Lớp E rất “giàu” hạt dẫn, kế đến là lớp C và lớp B thì lại rất ít hạt dẫn và rất mỏng. Khi điện áp cực B lớn hơn điện áp cực E, tiếp xúc p-n giữa B và E được phân cực thuận. Dòng electron từ E (vốn có rất nhiều do cách pha tạp chất) ào ạt “chảy” về B, trong khi lớp B (bán dẫn loại p) vốn rất mỏng và nghèo hạt dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E sẽ “tràn” qua cực C và đi về nguồn Vc như mô tả trên hình 6. Chú ý trên hình 6 tôi vẽ chiều di chuyển là chiều của dòng electron, chiều dòng điện sẽ ngược lại (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều electron). Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B đã gây ra dòng điện từ cực C về E. Quan hệ của các dòng điện như sau:
     IE=IB+IC                                                                                                                               (1)
     Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến cực B. mối quan hệ như sau:
     IC=hfeIB                                                                                                                                (2)
    Thông số hfe gọi là hệ số khuyếch đại tĩnh (DC Current Gain) của BJT và là hằng số được ghi bởi các nhà sản xuất, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loại BJT, gái trị của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm. Chính vì đặc điểm này mà transistor được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại”.  Hãy quan sát phần mạch điện bên phải trong hình 6 (phía Vc), nếu giả sử đoạn CE của BJT là một “điện trở”, xem lại công thức (2), nếu tăng dòng điện IB thì dòng Isẽ tăng theo trong khi điện trở Rvà nguồn Vlại không đổi, rõ ràng “điện trở EC” đang giảm. Nói cách khác, dòng IB sẽ làm giảm điện trở giữa 2 cực CE của BJT. Tiếp tực tăng Ithì điều gì xảy ra, điện trở giữa 2 cực CE sẽ giảm đến giá trị nhỏ nhất có thể của nó (thường gần bằng 0, giá trị này được ghi trong datasheet mỗi loại của BJT). Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần như cố định (VC, RC, RCE) nên dòng Icũng đạt giá trị max và gần như không thay đổi cho dù có tăng IB. Quan hệ giữa Ivà IC không còn đúng như công thức (2). Hiện tượng này gọi là bão hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của các mạch điện tử số (điều này giải thích tại sao người ta hay đề cập đến số lượng transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy tính chẳng hạn). Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là ICmax < hfeIB. Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt động như một “khóa  điện tử”, hãy xem hình 7.

Hình 7. Khóa điện tử BJT.
   Giả sử trong mạch điện ở hình 7 RB=330, RC=10K , hệ số khuyếch đại tĩnh của transistor là 100. Khi điện áp ở ngõ vào Vi=0V, BJT không hoạt động, dòng điện qua RC bằng 0 (hoặc rất nhỏ), điện áp ngõ ra Vo=12V. Khi Vi được kích kích bởi điện áp 5V, dòng IB=(5 - 0.7)/330=0.013A trong đó 0.7 là điện áp rơi trên BE. Dòng Iđạt giá trị lớn nhất khi VCE=0V, khi đó ICmax  =12/10K=0.0012A. Rõ ràng I< hfeIB và BJT sẽ bão hòa. Khi BJT bão hòa, VCE=0V và ngõ ra Vo được “nối” với GND nên Vo=0V . Tóm lại, bằng cách thay đổi mức điện áp Vi từ 0V sang 5V, điện áp ngõ ra sẽ được “switch” từ 12V sang 0V. Hoạt động của BJT khi bão hòa đôi khi còn được gọi là khuyếch đại điện áp. Vì chế độ bão hòa, BJT có thể được dùng làm các khóa điện tử trong mạch cầu H. Bạn hãy dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động của 4 BJT 2N3904 dùng trong mạch cầu H ở hình 4.
     Mạch điện trong hình 7 gọi là E chung. Mạch E chung của BJT hoạt động rất tốt trong chế độ khóa điện tử. Nếu chúng  thay điện trở  bằng động cơ thì mạch này tương đương với phần phía dưới của mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 hoặc R2 trong hình 1). Câu hỏi đặt ra là có thể dùng thêm 1 BJT npn như trên để làm phần trên của  mạch cầu H. Hãy xét mạch điện trong hình 8.

Hình 8. Mạch C chung.
     Mạch điện trong hình 8 gọi là mạch C chung, điểm khác biệt duy nhất của mạch điện này so với hình 7 là điện trở RCđược dời xuống phía dưới cực E nên gọi là RE. Không cần khảo sát phần cực C hãy khảo sát mạch Vi -> B ->E -> RE -> GND. Khi Vi=5V, do điện áp rơi trên BE luôn là 0.7V (đặc điểm của tiếp xúc pn khi dẫn điện) nên điện áp rơi trên điện trở  Rluôn là 4.3V mặc dù điện áp cực C là 12V, như thế điện áp giữa 2 cực CE là 12 - 4.3 = 7.7V.  Điều này được hiểu là giữa CE có một “điện trở” khá lớn, “khóa điện tử” không hoạt động tốt đối với mạch C chung. Nếu  RE là một motor DC loại 12V thì rõ ràng motor không hoạt động tốt vì điện áp rơi trên nó chỉ có 4.3V. Mặc khác điện áp CE quá lớn có thể gây hỏng BJT. Vì lí do này nếu bạn dùng BJT npn làm phần trên của mạch cầu H, BJT này sẽ rất mau hỏng (rất nóng) và mạch không hoạt động tốt.  Như vậy, một chú ý khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT là “tải” phải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch E chung như trong hình 7.
   Quay lại mạch cầu H, giải pháp để vượt qua nhược điểm đề cập ở trên là sử dụng BJT loại pnp cho phần trên của mạch cầu H. Nguyên lý hoạt động của BJT pnp cũng na ná npn nhưng chiều dòng điện thì ngược lại. Với các khóa điện tử dùng BJT loại pnp, để kích khóa thì điện áp cực B được kéo xuống thấp thay vì kéo lên cao như trong hình 7. Chúng ta hãy khảo sát một một ví dụ trong hình 9.

Hình 9. Mạch E chung dùng BJT pnp.
     Mũi tên trong ký hiệu của BJT pnp hướng từ E vào B, ngược lại với BJT npn. Nếu điện áp Vi=12V=VE hoặc ngõ Vi  không được kết nối thì BJT không hoạt động, không có dòng điện qua Rvì dòng I=0 nên dòng I=0. Khi Vi=0V thì dòng Ixuất hiện và xuất hiện dòng  I(từ cực E) , nếu dòng IB đủ lớn sẽ gây bão hòa BJT và điện áp VEC gần bằng 0V hay điện áp rơi trên RC gần bằng 12V, khóa hoạt động rất tốt. Do đó, BJT pnp thường được dùng làm phần trên trong các mạch cầu H. Một điều thú vị là mạch điện trong hình 9 cũng là một mạch E chung.
   Có lẽ đã đến lúc chúng ta di thiết kết một mạch cầu H hoàn chỉnh dùng BJT. Trong hình 10 tôi giới thiệu một cách thiết kế, đây không phải là cách duy nhất nhưng tôi sẽ dùng mạch này trong việc giải thích và ví dụ điều khiển (nếu có). Bạn có thể “chế” lại tùy thích miễn sao đảm bảo tất cả các BJT phải rơi vào trạng thái bão hòa khi được kích.
h
Hình 10. Mạch cầu H dùng BJT.
      Tôi chọn 2 loại BJT công suất trung bình TIP41C và TIP42C để làm mạch cầu. Điện áp cao nhất mà 2 loai BJT này chịu được là 100V và dòng tối đa là 6A (chỉ là danh nghĩa, thực tế có thể thấp hơn). BJT npn TIP41C có thể kích trực tiếp, riêng BJT pnp TIP42C cần dùng thêm 1 BJT loại npn 2N3904 làm “mạch kích”. Khi điện áp ngõ L1 ở mức thấp, BJT Q0-1 không hoạt động, không tồn tại dòng IC của BJT này, nghĩa là không có dòng  IB của BJT Q1, Q1 vì thế không hoạt động và tương đương một khóa Q1 mở. Khi L1 được kéo lên mức cao, 5V, BJT Q0-1 bão hòa (mạch E chung), dòng IC của Q0-1 xuất hiện và cũng là dòng IB của BJT Q1. Q1 vì thế cũng bão hòa và tương đương một khóa đóng. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp chuẩn 0V và 5V để kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể lên vài chục hay trăm Volt. Các đường L1, L2, R1 và R2 sẽ được vi điều khiển (AVR) điều khiển. Do BJT có thể được kích ở tốc độ rất cao nên ngoài chức năng đảo chiều, mạch cầu H dùng BJT có thể dùng điều khiển tốc độ motor bằng cách áp tín hiệu PWM vào các đường kích (thảo luận sau).
     Nhược điểm lớn nhất của mạch cầu H dùng BJT là công suất của BJT thường nhỏ, vì vậy với motor công suất lớn thì BJT ít được sử dụng. Mạch điện kích cho BJT cần tính toán rất kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, nếu không sẽ hỏng BJT. Mặt khác, điện trở CE của BJT khi bão hòa cũng tương đối lớn, BJT vì vậy có thể bị nóng…Trong phần tiếp theo tôi giới thiệu một loại linh kiện khác thường dùng làm mạch cầu H, MOSFET.
     MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p.

Hình 11. MOSFET.
     MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
     MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để giải thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như trong hình 12.
mosfet
Hình 12. Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC.
     Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET tương đồng.
mosfet
Hình 13. Mạch cầu H dùng MOSFET.
     Tôi dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối lớn (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần kích cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh P) tôi phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn. Khi kích các line L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn. Vi điều khiển  có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2.


(nguồn: hocarv)