Các mạch khuếch đại dùng Tranzito BJT - Điện công nghiệp CĐ GTVT TW I

Giáo trình điện tử cơ bản nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳng phần 2 CĐ GTVT Trung ương I cung cấp kiến thức nền tảng và kỹ năng thực hành chuẩn.

• Trường học: Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương I
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Các mạch khuếch đại dùng tranzito
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạch khuếch đại dùng tranzito BJT trong điện công nghiệp

Mạch khuếch đại dùng tranzito BJT (Bipolar Junction Transistor) là cơ sở cho các hệ thống điện tử công nghiệp hiện đại. Chúng thay thế đèn điện tử chân không nhờ kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng và hoạt động ổn định ở tần số cao. Tranzito BJT khuếch đại tín hiệu điện áp nhỏ thành tín hiệu lớn, với hệ số khuếch đại lên đến hàng trăm lần. Ứng dụng phổ biến trong tự động hóa, điều khiển công nghiệp và thiết bị điện tử nhờ tính bền vững, chịu rung động và tuổi thọ cao. Nghiên cứu mạch này giúp thợ điện phân biệt đầu vào/ra, kiểm tra chế độ làm việc và thiết kế mạch theo yêu cầu kỹ thuật.

1.1. Ưu điểm cơ bản của tranzito BJT so với đèn chân không

Tranzito BJT vượt trội về kích thước nhỏ, không cần nung sợi đốt và tiêu thụ ít công suất. Nó hoạt động ổn định ở tần số cao, chịu được rung động và có tuổi thọ dài. Các đặc tính này làm cho BJT phù hợp với môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Ngoài ra, cấu tạo đơn giản của nguồn cung cấp cho BJT giảm chi phí và phức tạp trong thiết kế. Tranzito BJT còn cho phép thiết kế mạch khuếch đại miniaturized, giảm không gian và tăng hiệu quả.

1.2. Vai trò của mạch khuếch đại trong hệ thống tự động hóa

Mạch khuếch đại BJT là nền tảng cho các hệ thống tự động hóa. Chúng chuyển đổi tín hiệu yếu thành tín hiệu mạnh để điều khiển các thiết bị như động cơ, bơm hoặc cảm biến. Trong công nghiệp, mạch này đảm bảo tín hiệu ổn định, giảm nhiễu và tăng độ chính xác. Thợ điện cần hiểu nguyên lý hoạt động để kiểm tra, sửa chữa và thiết kế mạch phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Mạch khuếch đại cũng giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, giảm thời gian phản hồi và tăng độ tin cậy.

II. Phân tích các loại mạch khuếch đại BJT và vấn đề thường gặp

Mạch khuếch đại BJT có ba kiểu mắc chính: E-C (Emitter Common), C-C (Collector Common) và B-C (Base Common). Kiểu E-C đảo pha và có hệ số khuếch đại điện áp cao. Kiểu C-C có trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp. Kiểu B-C đảo pha và có trở kháng đầu vào thấp. Vấn đề thường gặp là mất ổn định nhiệt, nhiễu tín hiệu và sự thay đổi hệ số khuếch đại khi thay đổi nguồn điện. Tranzito BJT cũng dễ bị hư hỏng do quá nhiệt hoặc quá áp. Để khắc phục, cần sử dụng điện trở hồi tiếp và tụ lọc để ổn định chế độ làm việc.

2.1. Đặc điểm và ứng dụng của mạch E C Emitter Common

Mạch E-C là loại phổ biến nhất. Nó đảo pha tín hiệu và có hệ số khuếch đại điện áp cao. Đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khuếch đại tín hiệu nhỏ thành tín hiệu lớn. Tuy nhiên, mạch này dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và cần điện trở hồi tiếp để ổn định. Trong thực tế, mạch E-C được sử dụng trong các bộ khuếch đại âm thanh và hệ thống điều khiển tín hiệu. Thợ điện cần kiểm tra điện trở và tụ lọc để đảm bảo hoạt động ổn định.

2.2. Nguyên nhân và giải pháp cho mất ổn định nhiệt trong BJT

Mất ổn định nhiệt xảy ra khi dòng điện cơ bản thay đổi do nhiệt độ. Điều này làm biến dạng tín hiệu ra và giảm hiệu suất khuếch đại. Giải pháp là sử dụng điện trở hồi tiếp (RE) để ổn định dòng điện cơ bản. Ngoài ra, cần chọn tranzito có đặc tính nhiệt ổn định và sử dụng tụ lọc để giảm nhiễu. Trong mạch Cascode, kết hợp hai tranzito giúp giảm ảnh hưởng nhiệt và tăng độ ổn định. Thợ điện nên đo điện áp phân cực và điều chỉnh RE để tối ưu hóa chế độ làm việc.

III. Giải pháp thiết kế và kiểm tra mạch khuếch đại BJT hiệu quả

Thiết kế mạch khuếch đại BJT yêu cầu chọn tranzito phù hợp, tính toán điện trở và tụ lọc, và đảm bảo chế độ phân cực tĩnh. Đối với mạch E-C, cần tính toán RE để ổn định nhiệt và RC để xác định biên độ tín hiệu ra. Kiểm tra chế độ làm việc bằng cách đo điện áp phân cực và quan sát dạng sóng. Thay đổi giá trị điện trở để tối ưu hóa hệ số khuếch đại. Mạch Darlington tăng hệ số khuếch đại dòng điện nhưng cần nguồn cung cấp ổn định. Mạch vi sai cải thiện độ ổn định và giảm nhiễu.

3.1. Cách tính toán và lựa chọn linh kiện cho mạch E C

Để thiết kế mạch E-C, tính toán RE bằng công thức RE = VEE / IB, với VEE là điện áp nguồn và IB là dòng cơ bản. RC xác định bằng RC = VCC / (1 + β), với β là hệ số khuếch đại dòng. Chọn tụ lọc Cpl và Cp2 để ngăn cách điện áp một chiều. Điện trở R1 và R2 xác định điểm phân cực tĩnh. Thợ điện nên sử dụng công cụ mô phỏng như LTspice để kiểm tra mạch trước khi lắp ráp. Điều chỉnh RE và RC để đạt hệ số khuếch đại mong muốn.

3.2. Kiểm tra và điều chỉnh chế độ phân cực tĩnh

Kiểm tra chế độ phân cực bằng cách đo điện áp tại các chân B, C, E của tranzito. Điện áp BE nên nằm trong khoảng 0.6-0.7V. Nếu điện áp quá thấp, tăng R1 hoặc R2. Nếu quá cao, giảm RE. Quan sát dạng sóng tín hiệu ra khi cấp nguồn. Nếu có nhiễu, sử dụng tụ lọc thêm. Thay đổi giá trị RE để ổn định nhiệt và đảm bảo mạch hoạt động trong vùng an toàn. Thợ điện nên ghi lại số liệu đo để so sánh với thiết kế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của mạch khuếch đại BJT

Mạch khuếch đại BJT là nền tảng cho các hệ thống điện tử công nghiệp nhờ tính nhỏ gọn, ổn định và hiệu suất cao. Ứng dụng phổ biến trong tự động hóa, điều khiển và thiết bị điện tử. Thợ điện cần nắm vững nguyên lý để thiết kế, kiểm tra và sửa chữa mạch. Mạch E-C và Darlington được sử dụng rộng rãi trong khuếch đại tín hiệu. Mạch vi sai cải thiện độ ổn định và giảm nhiễu. Trong thực tế, mạch BJT giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, giảm thời gian phản hồi và tăng tuổi thọ thiết bị.

4.1. Ứng dụng của mạch khuếch đại trong hệ thống tự động hóa

Trong tự động hóa, mạch khuếch đại BJT điều khiển động cơ, bơm và cảm biến. Chúng chuyển đổi tín hiệu yếu thành tín hiệu mạnh để hoạt động chính xác. Mạch E-C và Darlington được sử dụng trong bộ khuếch đại âm thanh và hệ thống điều khiển. Mạch vi sai cải thiện độ ổn định trong môi trường có nhiễu. Thợ điện cần hiểu nguyên lý để thiết kế mạch phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và môi trường hoạt động khắc nghiệt.

4.2. Khuyến nghị cho thợ điện trong thiết kế và sửa chữa mạch

Thợ điện nên sử dụng công cụ mô phỏng để kiểm tra mạch trước khi lắp ráp. Đảm bảo chế độ phân cực tĩnh ổn định bằng cách đo điện áp tại các chân tranzito. Sử dụng điện trở hồi tiếp và tụ lọc để giảm nhiễu và ổn định nhiệt. Khi sửa chữa, thay thế tranzito và linh kiện tương tự với thiết kế ban đầu. Quan sát dạng sóng tín hiệu ra để xác định vấn đề. Thường xuyên cập nhật kiến thức về mạch khuếch đại để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

102 BÀI 4: CÁC MẠCH KHUÉCH ĐẠI DÙNG TRANZITO Mã bài : 13 -04 Giới thiệu: Một đặc điểm nổi bật của cấu tạo tranzito là tính khuếch đại tín hiệu. Trong trường hợp lấp mạch loại cực E chung (E-C), với một tín hiệu có biên độ điện áp nhỏ đặt vào cực badơ B, ta cũng có thê nhận được tín hiệu có biên độ điện áp rât lớn tại cực colectơ C. Tuy theo hệ số khuếch đại của tranzito, ta có thể nhận được tín hiệu lớn gấp hàng chục, thậm chi hàng trăm lần tín hiệu ban đầu. Bộ khuếch đại dùng tranzito BỊT có các ưu điểm so với bộ khuếch đại dùng đèn điện tử chân không là: - Kích thước của bộ khuếch đại dùng tranzito BJT rất nhỏ, chiếm một khoảng không gian không đáng kể trong toàn bộ khối thiết bị.

- Bộ nguôn cung cập cho bộ khuếch đại BỊT hoạt động có cấu tạo đơn giản và tiêu hao công suất của tranzito BỊT rất nhỏ do không phải nung sợi đốt như đèn điện tử chân không. - Với sự tiễn bộ của lĩnh vực vật lý chất rắn, tranzito BỊT ngày càng hoạt động được ở tần số cao và bộ khuếch đại có tính ồn định cao. - Bộ khuếch đại dùng tranzito BỊT chịu va chạm cơ học, do đó được sử dụng rất thuận tiện trong các dây chuyền công nghiệp có rung động cơ học lớn. - Tranzito BỊT ngày càng có tuổi thọ cao nên càng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử thay thế cho các đèn điện tử chân không.

Với các đặc tính trên, bộ khuếch đại dùng tranzito BỊT được áp dụng rộng rãi trong các dây chuyền công nghiệp của các hệ thống tự động điều khiển và trong đời sống xã hội. Nghiên cứu các mạch khuếch đại là nhiệm vụ quan trọng của người thợ sửa chữa điện tử trong kiểm tra, thay thé các linh kiện và mạch điện tử trong thực tế. Mục tiêu: - Phân biệt được đầu vào và ra tín hiệu trên sơ đồ mạch điện và thực tế theo các tiêu chuẩn mạch điện. - Kiểm tra được chế độ làm việc của tranzito theo sơ đồ thiết kế.

- Thiết kế được các mạch khuếch đại dùng tranzito theo yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính chính xác, nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc. Mạch khuếch đại đơn Mục tiêu: - Vẽ và trình bay được nguyên lý hoạt động của các mạch khuếch đại đơn - Trình bây được tính chât, kiêm tra được các thông sô đầu vào,ra của các mạch khuếch đại đơn 1. Mạch mắc theo kiểu E chung (E-C: Emitter Common) Mô tả mạch khuếch đại cực phát chung (E-C).

(hình 4-1) 103 Hình 4-1: Mạch khuếch đại E-C Sở dĩ người ta gọi là tầng emitơ chung là vì nếu xét về mặt xoay chiều thì tín hiệu đầu vào và đầu ra đều có chung một chất đất là cực E của tranzito. Trong đó : Cpl, Cp2 1a các tụ nói tầng, nó ngăn cách điện áp một chiều tránh ảnh hưởng lẫn nhau R1, R2, RC để xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại. RE điện trở hồi tiếp âm dòng điện một chiều có tác dụngÔ ổn định nhiệt, CE tụ thoát thành phần xoay chiều xuống đất ngăn hồi tiếp âm xoay chiều. Đặc điểm của tầng khuếch đại EC là tầng khuếch đại đảo pha, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào.

Nguyên lý làm việc của tầng EC như sau: khi đưa điện áp xoay chiều tới đầu vào xuất hiện dòng xoay chiều cực B của tranzito và do đó xuất hiện đòng xoay chiều cực C ở mạch ra của tầng. Dòng này gây sụt áp xoay chiều trên điện trở RC. Điện áp đó qua tụ CP2 đưa đến đầu ra của tầng tức là tới Rt. Có thê thực hiện bằng hai phương pháp cơ bản là phương pháp đồ thị đối với chế độ một chiều và phương pháp giải tích dùng sơ đồ tương đương đối với chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ.

Các thông số kĩ thuật của mạch: - Tổng trở ngõ vào: Vi _ 2 Ry= ~= Vbe 4.1 , i Ib KHẨU - Tông trở ngõ ra: R = = Ve (4.2) , lo Ic - Độ khuêch đại dòng điện: 1B_ Ic Ai= = 4.3 „ ii Ib B ( ) - Độ khuêch đại điện áp: (omen Vi ep Vbe Ri 4.4 Mạch này có một sỐ tính chất sau: Tín hiệu được đưa vào cực B và lây ra trên cực C. Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra ngược pha (đảo pha) 104 Hệ số khuếch đại dòng điện B)1và khuếch đại điện áp a < 1. Tổng trở ngõ vào khoảng vài trăm Ohm đến vài KO. Tổng trở ngõ ra khoảng vài kO đến hàng tram kQ.

Mạch tương đương kiểu E-C: (hình 4-2) Hình 4-2: Mạch tương đương kiểu E-C Các tham số của mạch EC tính gần đúng như sau: + Điện trở vào của tâng: Ry=Rị//Rz//ry.5) + Hệ số khuếch đại dòng điện: K,= a Ä (4. 6) Như vậy tầng BC có hệ số khuếch đại đòng tương đối lớn, và nếu như Rc>> Rt thì nó gân bằng hệ số khuếch đại B cua tranzito. +Hệ số khuếch đại điệnáap: K,=-B———C (4.7) R,+R, (dấu trừ thể hiện sự đảo Pha) + Hệ số khuếch đại công suất : Kp= Kụ. Mạch mắc theo kiểu cực gốc chung (BC: Base common) Mô tả mạch khuếch đại theo kiểu B-C.

Mạch khuếch đại theo kiểu B-C Các thông số kĩ thuật của mạch: - Tông trở ngõ vào:. R= Vs Tỉ Vee Te (4. 10) - Tông trở ngõ ra:. 11) - Độ khuêch đại dòng điện: lo _— Ic A= —= —=86 <l :.

Ti Ib B ch - Độ khuêch đại điện áp: AasVi ug Vbe (4. 13) Mạch này có một số tính chất sau: Tín hiệu được đưa vào cuc E va lây ra trên cực C. Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra đồng pha. Hệ số khuếch đại dòng điện B < 1, hệ số khuếch đại điện áp œ > 1.

Tổng trở ngõ vào nhỏ từ vài chục © đến vài trăm ©. Tổng trở ra rất lớn từ vài chục kO đến hàng MO. Mạch tương đương của mạch kiêu B-C (hình 4-4) Hình 4-4: Mạch mắc theo kiều B chung (BC) 106 + Điện trở vào: ®&, =R,//[n; +d— a) (4. 14) Điện trở vào của tầng được xác định chủ yếu bằng điện trở re vào khoảng 10:50)O.Điệntrở vào nhỏ là nhược điểm cơ bản của tầng BC vì tầng đó sẽ là tải lớn đối với nguồn tín hiêu vào.

+ Hệ số khuếch đại dòng của tầng: K, =œ Ä Re (4. 15) + Hệ số khuếch đại điện áp: K, =a RURe (4. 16) R, +R, + Điện trở ra của tầng: R =R„//r„ ~R„ (4.17) Cần chú ý rằng đặc tuyến tĩnh của tranzito mắc BC có độ tuyến tính lớn nên tranzito có thê dùng với điện áp cực C lớn hơn so do EC. Chinh vi vay tang khuêch đại BC được dùng khi cân có điện áp ở đâu ra lớn.

Mạch mắc theo kiều C-C (Collector Common) Mô tả mạch điện theo kiêu cực góp chung (C-C) (hình 4-5) ˆ_ Hình 4-5. Mạch mắc theo kiều C chung (CC) Điện trở Rg trong sơ đồ đóng vai trò như Rc trong mạch Ec, nghĩa là tạo nên một điện áp biến đổi ở đầu ra trên nó. Tụ C có nhiệm vụ đưa tín hiệu ra tải Rt. Dign trở Rj, R; là bộ phân áp cấp điện một chiều cho cực B, xác định chế độ tĩnh của | ting, Để tăng điện trở vào thường người ta không mắc điện trở ga.

Tính toán chế độ một chiều tương tự như tính toán tang EC. Dé khảo sát các tham số của tầng theo dòng xoay chiều, cần chuyên sang sơ đồ tương đương xoay chiều. Các thông số kĩ thuật của mạch: - Téng trở ngõ vào: _W_ W6 (4.18) SH Ib - Téng trở ngõ ra: 107 peak I, 1, (4.19) - D6 khuéch đại dòng điện: I I Ax_ 6 B+ 41 420) - Độ khuêch đại điện áp: V, aa (=a _V.21 Mạch có một số tinh chất sau: Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E. Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra đồng pha.

Hệ số khuếch đại dòng điện B>1, hệ số khuếch đại điện áp œ<]. Tổng trở ngõ vào từ vài kO đến vài chục kO. Tổng trở ngõ ra nhỏ tử vài chục @ đến vài trăm ©. Mạch tương đương của mạch kiểu C-C: (hình 4-6) Ala 4 I Ỷ Hình 4-6.

Mạch tương đương của mạch kiểu C-C + Điện trở vào của tầng : &, ~R,//R,//4+B).22) Nếu chọn bộ phân áp đầu vào R1, R2 lớn thì điện trở vào sẽ lớn. Tuy nhiên khi đó không thể bỏ qua điện trở rC(E) mắc song song với mạch vào, nên điện trở vào phải tính: R, ~R,//R,//[+B).(R,//R)]/1r; Điện trở vào lớn là một trong những ưu điểm quan trọng của tầng C chung, dùng làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn. RR /IR, + Hệ số khuếch đại dòng điện: Ẩ, = (+p).23) R, IIR, + Hệ số khuếch đại điện áp: ,=(+ÿ).24) n 108 Khi Ry >> Rạ và gần đúng R, ~(+B)Œ; +R) thi K,~ 1. Như vậy tầng khuéch dai C chung dé khuéch dai công suất tín hiệu trong khi giữ nguyên trị số điện áp của nó.

Vì Ku = 1 nên hệ số khuếch đại Kp xắp xỉ bằng Ki về trị số. fy +R, //R,/1R, + Điện trở ra của tầng: R, = R;Œ, + ) (4.25) 1+B Điện trở ra của tầng nhỏ cỡ (1+50)@. Nó được dùng để phối hợp mạch Ta của tầng khuếch đại với tải có điện trở nhỏ, khi đó tầng C chưng dùng làm tầng Ta của bộ khuếch đại có vai trò như một tầng khuếch đại công suất đơn chế độ A. không có biên áp ra.

Mạch khuếch đại phức hợp Mục tiêu: - Vẽ và trình bầy được nguyên lý hoạt động của các mạch khuếch đại phức hợp - Trình bầy được tính chất, kiểm tra được các thông số đầu vào,ra của các mạch khuếch đại phức hợp 2. Mạch khuếch đại Cascode: Đặc điểm của mạch là dùng 2 tầng khuếch đại mắc nốitiếp (hình 4-7). Tang thir hai mac theo kiểu BC dé tang tần số cắt, giảm nhiễu tạp, giảm thấp nhất hiệu ứng Millerở tần số cao. Tầng thứ nhất theo kiểu EC, làm việc ở điện áp thấp, hệ SỐ khuếch đại điện áp nhỏ dé giảm hiệu ứng miller của tụ ở tần số cao.

Song hệ số khuếch đại điệná áp toàn mạch lại rất lớn (khoảng vài trăm lần). 9 - Vcc Hinh 4-7: Mach khuếch đại cascode Mạch thường được dùng dé khuếch đại điện áp tín hiệuở các mạch có tín hiệu và tổng trở vào nhỏ. Như ngõ vào của các mạch khuếch đại cao tần của thiết bị thu vô tuyến Trong thực tế mạch thường được dùng Tranzito loại NPN để có nguồn cung cấp dương, tiện cho việc thiết kế mạch hình 4-7.