Bài 6: Các mạch ứng dụng

1. Mạch so sánh cửa sổ

Đây là mạch điện ứng dụng trong việc cảnh báo quá nhiệt hay thiếu nhiệt của môi trường cần theo dõi. Mạch làm việc theo nguyên lý so sánh cửa sổ, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp. Minh hoạ qua hình.

Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở 40^oC, người ta tiến hành như sau: từ nhiệt độ môi trường đang là 27^oC, bắt đầu cấp nhiệt cho lò (điểm A). Nhiệt độ lò tăng dần vượt qua 36^oC (điểm B), rồi qua 40^oC mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt cho đến khi nhiệt độ của lò đến 44^oC (điểm C), lò mới cắt điện trở gia nhiệt. Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 44^oC (điểm D). Giảm qua 40^oC vẫn tiếp tục giảm. Cho đến 36^oC (điểm E) thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò (điểm B) nhiệt độ lò tăng dần lên.

Sơ đồ nguyên lý mạch báo nhiệt

Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò nằm trong khoảng 40^oC, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B: hình dạng như một cửa sổ nên có tên là mạch so sánh cửa sổ (window comparator). Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế… Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:

            Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R₁ và R₂ tạo ra V_s là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR. Cụ thể có thể tính V_s:

Rõ ràng V_s = f(T^o) là một hàm của nhiệt độ. Do đó, đo V_s chính là đo nhiệt độ. Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OP-AMPS làm việc như sau :

* Khi thiếu nhiệt:

Lúc này V_S < V_A < V_B, đầu vào v₊ của op-amps II nhỏ hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps II xuống thấp,  LED 2 sáng. Trong khi đó đầu vào v₊ của op-amps I lớn hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps I  lên cao, LED 1 tắt.

* Khi đủ nhiệt:

Lúc này V_A < V_S < V_B, đầu vào v₊ của op-amps II lớn hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps II lên cao,  LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v₊ của op-amps I lớn hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps I  lên cao, LED 1 tắt.

* Khi quá nhiệt:

Lúc này V_A < V_B < V_S, đầu vào v₊ của op-amps II lớn hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps II lên cao,  LED 2 tắt. Trong khi đó đầu vào v₊ của op-amps I nhỏ hơn đầu vào v_–  nên ngõ ra op-amps I  xuống thấp, LED 1 sáng.

Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ. Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy.

2. Mạch chỉnh lưu chính xác

Trong thực tế, đôi lúc người ta cần mạch chỉnh lưu có điện áp ngõ ra như hình vẽ trong điều kiện lý tưởng, nhưng trên thực tế dù diode được phân cực thuận và dẫn dòng thì vẫn có một sụt áp đáng kể trên diode (chỉnh lưu cầu sụt áp này là 2V_D). Điều này dẫn đến sự méo dạng điện áp ngõ ra như hình vẽ.

Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác sử dụng Op-Amps như hình vẽ          

Do dòng điện hai ngõ vào của Op-Amps bằng không nên trong chu kỳ phân cực thuận của diode (chu kỳ chỉnh lưu) V_in=V_out, vì vậy sóng dạng điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu như sóng dạng bộ chỉnh lưu lý tưởng.

3. Mạch lọc

Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản, tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải, khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép. Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số cắt của các mắt lọc. Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụng các mạch lọc tích cực. Cụ thể là đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp của Op-Amps để tăng hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng.

Cũng như mạch lọc thụ động, có thể phân mạch lọc tích cực theo tần số làm việc như: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dãy. Ở đây giới thiệu một mạch lọc tích cực lọc thông thấp: mạch lọc mà tần số thấp được truyền qua nguyên vẹn, cò tần số cao bị suy giảm và chậm pha với tín hiệu vào.

Có thể dùng công thức để tính toán và thành lập biểu đồ Bode về biên – tần của mạch lọc trên như hình

Các nhận xét về mạch lọc thống thấp:

– Tại tần số cắt f_c có độ lệch pha là -45^o; biên độ điện áp ra giảm gần 3 dB.

– Tại tần số thấp f << f_c: biên độ |A| = 1  ≈ 0dB

– Tại tần số cao f >> f_c: biên độ |A| = 1/ωRC, hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số theo quan hệ: tần số tăng 10 lần thì hệ số khuếch đại giảm 10 lần tức là giảm 20dB/decade hay 6dB/octave.

4. Nguồn dòng công suất lớn

Trong thực tế đôi khi nguồn dòng cung cấp năng lượng ra tải sẽ tốt hơn nguồn áp ví dụ như khi nạp bình ắc qui, nếu sử dụng nguồn dòng bình sẽ lâu hư hơn nhiều lần so với nạp bằng nguồn áp; đặc biệt khi nguồn áp cung cấp thường xuyên có giá trị bất ổn định (như lấy điện từ năng lượng mặt trời, sức gió …). Những lúc như vậy ta có thể sử dụng nguồn dòng trình bày trên hình sau:

Có thể tăng thêm dòng cho mạch điện trên khi thay Q₂ bằng các transistor darlington (transistor được lắp ghép sẵn dạng darlington bên trong linh kiện). Nhưng lúc này R₁ cũng phải giảm theo một cách tương ứng.

5. Nguồn ổn áp

Hiện nay, ổn áp DC sử dụng vi mạch chuyên dụng đã đạt đến độ ổn định rất cao, tuy nhiên muốn chế tạo một bộ ổn áp sử dụng Op-Amps có độ ổn định tương đối tốt cũng không phải là điều khó! Có thể thực hiện theo mạch sau:

Khi chỉnh định tỉ số giữa R₂ và R₃ thay đổi hệ số khuếch đại vòng kín của mạch sẽ làm thay đổi được điện áp ngõ ra ở mức ổn định mới. Với dòng tải tối đa là 1A trong khi điện áp ngõ vào biến thiên trong một dãy điện áp rộng, bộ nguồn này chắc chắn sử dụng được khá nhiều việc trong lĩnh vực điện tử vi mạch.