Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 11: Mạch kẹp và mạch giao hoán - Võ Kỳ Châu

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 11: Mạch kẹp và mạch giao hoán - Võ Kỳ Châu

1. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-1 (a) Mạch kẹp cơ bản; (b) Tín hiệu vào hình sin được đặt vào tại thời điểm t = 0 ; (c) Dạng sóng ngõ ra. Trong một phần tư chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào tăng từ không đến giá trị tối đa Vm . Diode là lý tưởng nên áp rơi trên nó là không. Kết quả là trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên, vvAi= . Điện áp trên tụ C tăng theo hình sin, tụ nạp điện thông qua nguồn và diode. Như vậy, lúc này vo là không. Tại cuối của khoảng thời gian này áp rơi trên tụ là vVAm= . Sau một phần tư chu kỳ này, tín hiệu bắt đầu giảm xuống, điện áp trên tụ không thể bám theo tín hiệu vào vì tụ không thể xả thông qua diode lúc này đang bị phân cực ngược. Điện áp trên tụ tiếp tục duy trì là vVAm= , điện áp ngõ ra là vvVoim= − . Trong suốt các chu kỳ tiếp theo, đỉnh dương của tín hiệu ra chỉ có thể đạt đến không. Diode không bao giờ dẫn trở lại và đỉnh dương của tín hiệu ra bị kẹp tại không. Giả sử là sau khi đạt đến trạng thái xác lập, biên độ tín hiệu vào tăng lên. Khi đó, trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên, diode sẽ lại dẫn. Điện áp dc trên tụ C sẽ lại tăng và một lần nữa đỉnh dương của tín hiệu ra sẽ bị kẹp lại tại mức không. Nhưng nếu biên độ của tín hiệu vào giảm xuống thì điều gì sẽ xảy ra? Trong trường hợp này, rõ ràng là điện áp dc trên tụ cần phải giảm theo nhưng trong mạch hình 11-1 không có cách nào để làm được điều này. Để điện áp trên tụ có thể giảm, cần có một điện trở mắc shunt với tụ hoặc qua diode. Trong trường hợp thứ hai, tụ sẽ xả thông qua một mạch nối tiếp gồm điện trở shunt của diode và nội trở nguồn. Mạch hình 11-2(a) trình bày trường hợp có điện trở R . Hình 11-2(b) vẽ dạng sóng ngõ ra cho trường hợp biên độ tín hiệu vào hình sin đột ngột giảm xuống. hai chu kỳ đầu tiên tương ứng với giai đoạn xác lập trước đó. Tại thời điểm tt= 1 , biên độ tín hiệu đột ngột giảm xuống. Vì tụ không thể xả một cách nhanh chóng, đỉnh dương của ngõ ra giảm xuống dưới không một chút trước khi bị kẹp lại tại 0 V. Điện áp trên tụ C giảm dần theo hàm mũ khi tụ xả và sau một vài chu kỳ, đỉnh dương sẽ bằng không trở lại. Trong trường hợp này, không giống với trường hợp không có R , có dòng chảy qua tại mỗi đỉnh dương. Ngay cả khi điện áp trên tụ giảm đến giá trị làm cho đỉnh dương đạt đến không tụ vẫn tiếp tục xả thông qua R và nội trở nguồn. Lúc này diode sẽ hỗ trợ cho tụ 2/8
2. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Như ta sẽ thấy, độ chính xác của mạch tùy thuộc vào điều kiện R  R f . Để phân tích mạch ta có thể vẽ mạch tương đương của mạch này khi cần tính vo như hình 11-4(a). Mạch hình 11-4(a) được dùng khi diode dẫn và hình 11-4(b) được dùng khi diode không dẫn. Nếu R  R f là không đúng thì từ hình 11-4(a), Rf phải được thay bằng hai điện trở R và Rf mắc song song.Trong hình 11-4(b), nếu điện trở trong vùng tắt của diode không rất lớn hơn R thì điện trở R cũng phải được thay bằng tổ hợp song song của hai điện trở. Trong một số trường hợp, trong mạch thật ra không có R , điện trở này có thể là điện trở phân cực ngược Rr của diode. 11-2-1 Dạng sóng quá độ Bây giờ ta sẽ xem xét dạng sóng ngõ ra khi một tín hiệu đột ngột được đặt vào mạch và xem mạch đạt đến trạng thái xác lập như thế nào. Sau một số chu kỳ, mạch sẽ đạt đến trạng thái xác lập trong đó đỉnh dương sẽ bị kẹp tại không. Trong trường hợp đó ta sẽ dùng mạch tương đương như hình 11-4 và xử lý như trong ví dụ sau. Hình 11-4 Mạch tương đương của hình 11-2 để tính vo (a) khi diode dẫn, (b) khi diode không dẫn. Giả sử là R RR. r f Giả sử trong mạch hình 11-3, RRSf==100 Ω=, R 10 k, và C =1 µF . Tại t = 0 , một tín hiệu sóng vuông đối xứng với biên độ 10 V, tần số 5 kHz được đặt vào mạch. Như được trình bày trong hình 11-5, tín hiệu vs đi từ 0 V đến +10 V . Hãy vẽ vài chu kỳ đầu tiên của dạng sóng ngõ ra. Để phân tích được mạch này, ta giả sử tụ C không tích điện ở thời điểm đầu. Dùng mạch tương đương trong hình 11-4(a) ta có, tại lần nhảy lên 10 V đầu tiên của tín hiệu vào, ngõ ra nhảy đến +5 V . Ngõ ra sau đó suy giảm dần về không theo hàm mũ với thời hằng τ =+()RRCSf =200 µs Vì chu kỳ T = 200 µs nên tại cuối nửa chu kỳ sóng vuông, tại thời điểm tT= 2 , ngõ ra rơi −T 2τ xuống đến vto ()== T25 e = 3 V. Tại thời điểm này, vì điện áp trên Rf là 3 V nên điện áp trên tụ là 4 V . Tại thời điểm tT=+2 , ngõ vào hạ xuống không, diode tắt và ta dùng hình 11-4(b). Trong mạch này, vA = 4 V và vS = 0 , nếu bỏ qua RS khi so sánh với R thì vo = − 4 V như trong hình 11-5. Ngõ ra sau đó lại bắt đầu suy giảm về không. Tuy nhiên, thời hằng bây giờ là RC =10 k× 1 µ F=10000 µ s , tức là lớn hơn 100 lần so với T 2 . Do đó độ suy giảm là có thể bỏ qua và không được chỉ ra trong hình. 4/8
3. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-7 (a) Ngõ vào của hình 11-6; (b) Điện áp ngõ ra. Sau khi transistor nằm trong vùng bão hòa trong một thời gian đủ dài để tất cả quá trình quá độ ⎡⎤ bị suy giảm, cuộn cảm sẽ có dòng IoCCCEsatC=−⎣⎦VV() R. Tức thời ngay tại thời điểm transistor chuyển sang trạng thái tắt, mạch tương đương để tính ngõ ra được vẽ trong hình 11-6(c). Ta bỏ qua dòng rò của transistor khi ở trạng thái tắt. Dòng cuộn cảm, phải chảy qua R , sẽ giảm dần từ Io về không với thời hằng LR. Điện áp ngõ ra được vẽ trong hình 8-24(b) và được cho bởi −Rt L vVoYYo=+ IRe (11-1) Do đó, khi transistor bị lái vào trạng thái tắt, tại collector sẽ xuất hiện một gai dương với biên độ Io R xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp. Gai dương này có thể trở nên rất lớn khi R lớn. Trong thực tế, điện áp đỉnh có thể bị giới hạn bởi điện dung ngang qua cuộn cảm, nhưng ngay cả trong trường hợp này, điện áp đỉnh cũng có thể lớn hơn vài lần so với áp nguồn. Khi công tắc trở lại trạng thái bão hoà tại thời điểm tT= 2 , cuộn cảm lúc này tức thời hở mạch. ⎡⎤ Dòng transistor chảy qua R là ⎣⎦VVCC−+ CE() sat( RR C ) . ' Đặt Io là dòng transistor tức thời chảy qua transistor tại thời điểm On. Dòng chảy qua R sẽ ' giảm dần từ Io về không với hằng số thời gian LR' , trong đó R ' bằng R song song với RC . Ngõ ra khi tT> 2 là ' −−RtT'( 2 ) L vVoYYo=− IRe (11-2) và có dạng gai âm như trong hình 11-7(b) xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp. Gai âm luôn luôn nhỏ hơn điện áp nguồn vì điện áp collector không thể đảo ngược cực tính. Thời hằng của gai âm lớn hơn thời hằng gai dương do đó gai âm suy giảm chậm hơn. 11-4 Mạch giao hoán với tải dung Mạch giao hoán với tải dung được vẽ trong hình 11-8(a). Tại thời điểm t =−0 , khi transistor bão hoà, điện áp ngõ ra và dòng collector là 6/8
4. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-8 (a) Transistor với tải dung; (b) Mạch tương đương để tính ngõ ra khi transistor tắt; (c) Mạch tương đương khi mạch base bị kẹp nhưng collector vẫn ở trong vùng tích cực; (d) Ngõ vào v,i dòng collector i,C và điện áp ngõ ra v.o Trong hình 11-8(d) ta đã ngầm giả sử là thời hằng rất nhỏ khi so với T2 hoặc T1 . Nếu thay vì vậy ta giả sử RCSC rất lớn hơn T2 thì đường lên dạng hàm mũ có thể xấp xỉ với một hàm tuyến tính. Mạch hoạt động giống như một mạch tích phân và một điện áp bước ngõ vào sẽ chuyển thành hàm dốc ngõ ra. 8/8