Điện tử cơ bản

Thứ Năm, 15 tháng 1, 2015

Cơ bản điện tử, môn học non trẻ hiện đại.

Chào Bạn, rất vui khi thấy Bạn ghé vào các chuyên mục do tôi biên soạn.

Tôi chọn ra 18 chủ đề để trình bày các vấn đề có liên quan đến ngành điện tử học. Ở đây, các bài viết luôn được cập nhật, làm mới, do đó trong bài viết của mỗi chủ đề sẽ không có điểm kết thúc (Bạn sẽ luôn thấy ở cuối bài chữ "còn tiếp..."). Nguồn kiến thức ghi lại trong bài có thể do tôi bắt gặp từ sinh hoạt thực tế hay được biên soạn lại từ các bài lên lớp cũ và cũng có thể do tôi "xào nấu" lại từ nhiều nguồn tư liệu Anh-Việt-Hoa sưu tầm trên mạng. Tôi chỉ mong với kinh nghiệm mấy chục năm làm thợ và dạy nghề điện tử sẽ giúp được các bạn trẻ có được "cái nghề mà mình yêu thích để vào đời".

Các bài viết thường viết nhanh và do trình độ người soạn có hạn, nên sẽ không thể không có sơ xót trong lúc viết, nếu bắt gặp các chỗ không hài lòng, không vừa ý, Bạn hãy trao đổi với người soạn (VKH) để sửa lại cho đúng theo ý Bạn. Thành thật cảm tạ Bạn và các Bạn đồng nghiệp!

Ý tưởng 1: Học nghề điện tử, trước hết Bạn phải khai nhãn trí tuệ để nhìn cho thấy rõ được dòng điện chảy trong các nhánh của các mạch điện.

Trong môn điện tử học, điều đầu tiên là Bạn phải nhìn thấy (trong óc Bạn) sự chuyển động của dòng điện trong mạch điện. Bạn xem hình sau:

Khi khóa điện đóng lại, dòng điện từ nguồn pin sẽ chảy qua sợi nung làm sợi nung nóng lên và phát sáng. Khi khóa điện hở, cắt dòng và đèn sẽ tắt.

Vậy dòng điện thật sự là gì?

Nó là dòng chảy của các hạt âm điện tử (electron, dịch ra tiếng Việt là âm điện tử), hình vẽ sau đây cho thấy dòng chảy trong mạch điện (Bạn xem hình).

Dòng electron, tức dòng chảy của các hạt âm điện tử sẽ chảy từ cực âm của nguồn pin, chảy qua bóng điện và chảy về cực dương của pin. (chúng ta có thể hiểu cực dương là cực hút, nó hút các hạt âm điện tử chảy từ cực âm về cực dương).

Trong ngành điện, người ta thường dùng dòng điện qui ức, dòng qui ức chảy theo chiều từ cực dương về cực âm (Bạn xem hình).

Dòng chảy tạo ra từ các hạt màu đỏ là dòng điện quy ước, nó có chiều chảy ngược với dòng điện vật lý, hay còn gọi là dòng electron.

Ý tưởng 2: Học nghề điện tử, Bạn cần hiểu rõ điện áp, cái mà hàng ngày Bạn phải nghĩ đến khi dùng các thiết bị điện.

Vậy điện áp thật sự là gì?

Điện áp là chỉ sức ép của điện (áp là đè, là ép. Khí áp là sức ép của hơi, hồ nước để trên cao gọi là cột thủy áp), một nguồn điện năng sẽ tạo ra sức ép điện, khi Bạn gắn một nguồn điện vào một mạch điện kín nó sẽ tạo ra dòng chảy trong mạch. Người ta đo điện áp bằng đơn vị Volt. Bạn xem hình vẽ minh họa một nguồn điện áp cảm ứng phát ra từ cuộn dây và tạo dòng chảy trong một mạch đóng kín.

Khi Bạn đặt một nam châm ở gần một cuộn dây, các đường từ lực phát ra từ nam châm này sẽ đi qua cuộn dây và tạo ra lượng từ thông, nếu Bạn quay nam châm, các đường từ lực đi qua cuộn dây sẽ biến đổi. Lúc này ở hai đầu cuộn dây sẽ xuất hiện điện áp ứng, điện áp này sẽ tạo ra dòng biến đổi chảy trong một mạch điện đóng kín. Đó là phát hiện của Faraday và cũng là nguyên lý của tất cả các máy phát điện điện từ hiện dụng.

Trong cuộc sống, người ta tạo ra các máy phát điện xoay chiều có biến đổi theo dạng sin, điện áp danh định thường là 220V (hiệu dụng), và tần số công nghiệp là 50Hz.

Điện áp cũng có thể tạo ra từ một phản ứng hóa học, người ta dùng các phản ứng này để chế tạo các nguồn điện DC, chúng ta có các nguồn pin, điện áp của pin thường là 1.5V, 9V, 12V, 24V.

Hình vẽ sau đây cho thấy nguồn pin tạo ra sức ép điện và tạo ra dòng điện chảy trong mạch, dòng này làm nóng sợi nung trong đèn, khi dây kim loại bị đốt nóng nó sẽ phát ra ánh sáng. Đó là nguyên lý vận hành của loại đèn nhiệt quang.

Ý tưởng 3: Cách kiểm tra 2 tham số trạng thái của một mạch điện, đó là Điện áp và cường độ dòng điện.

Hình vẽ sau đây cho thấy cách đo điện áp và đo dòng trên một mạch điện cơ bản chỉ gồm có nguồn pin và bóng đèn tim:

Làm nghề điện, Bạn phải biết cách dùng máy đo áp và đo dòng. Trên một mạch điện có 2 tham số trạng thái quan trong, đó là đo áp trên các đường mạch và đo dòng chảy qua các linh kiện trong mạch.

Ý tưởng 4: Luật Ohm.

Luật Ohm cho thấy các mối quan hệ giữa 4 tham số P, V, R, I. Trong một mạch điện khi biết R, I, chúng ta sẽ tính đượcV. Phát biểu cơ bản của luật Ohm là: Khi có dòng điện I chảy qua 1 điện trở R, thì trên 2 đầu của điện trở sẽ xuất hiện điện áp V, và V = R x I.

Điện áp V và dòng điện I là 2 tham số trạng thái, còn các tham số khác, như trở R, dẫn G, công suất P là các tham số dẫn xuất, nó tính theo V và I.

Trong một mạch điện, các phép toán thường được tính theo các công thức được liệt kê theo bảng sau:

Các tính toán cơ bản trong một mạch điện chỉ lòng vòng với 4 tham số, đó là:

* Công suất P tính bằng Watt.

* Điện áp V tính bằng Volt.

* Điện trở R tính bằng Ohm.

* Cường độ dòng điện I tính bằng Ampere

Cách dùng bảng:

Phần 1: Bạn dùng bảng tính công suất P theo các trị V, R, I.

Phần 2: Bạn dùng bảng tính V theo các trị P, R, I.

Phần 3: Bạn dùng bảng tính R theo các trị P, V, I.

Phần 4: bạn dùng bảng tính I theo các trị P, V, R.

Một thí dụ: Bạn có một nguồn pin V=9V cấp dòng cho một điện trở là R=1K, vậy dòng chảy trong mạch là bao nhiêu Ampere? và công suất đốt nóng điện trở là bao nhiêu Watt?

Tra bảng chúng ta thấy, lấy áp V chia cho trở R sẽ biết cường độ dòng chảy trong mạch.

Tra bảng chúng ta thấy, lấy bình phương áp V và chia cho trở R sẽ biết công suất đốt nóng trở.

Với Bạn mới nhập môn ngành điện tử, Bạn hãy làm quen với 2 khái niệm quan trọng là dòng và áp. Học cách dùng bảng luật Ohm để tính trị của công suất P (Watt, W), trị của điện áp V (Volt, V), trị của điện trở R (Ohm) và trị của cường độ dòng điện I (Ampere, A).

Bây giờ hãy làm quen với

các linh kiện cơ bản của môn điện tử học

1- Điện trở.

Điện trở R hiểu đơn giản là một ống dẫn điện. Mỗi diện trở đều có sức cản dòng., tính bằng Ohm Khi sức cản của nó lớn dòng chảy qua nó sẽ nhỏ và ngược lại nếu sức cản của điện trở nhỏ thì dòng chảy qua nó lớn. Trong ứng dụng chúng ta thường gặp loại điện trở hình ống, loại điện trở dán và loại diện trở có công suất lớn. Sau đây là hình dạng của các điện trở (Bạn xem hình).

Hình dạng các điện trở:

Với một điện trở, chúng ta cần biết trị sức cản của nó (tính bằng Ohm) và công suất chịu nóng của nó (tính bằng Watt). Với các điện trở than hình ống, trị sức cản thường cho ghi bằng các vòng màu, có các diện trở ghi bằng 4 vòng màu, 5 vòng màu và 6 vòng màu. Điện trở chịu nóng càng lớn càng có kích thước lớn.

Họ điện trở:

Người ta chế tạo các điện trở có trị Ohm thay đổi được, đó là các biến trở, chiết áp, quang trở, nhiệt trở, áp trở, điện trở dò ẩm, điện trở đè...

* Biến trở hay chiết áp: Có trị điện trở thay đổi theo nút kéo hay nút xoay.

* Nhiệt trở : Có trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ, theo mức nóng mức lạnh.

* Quang trở : Có trị điện trở thay đổi theo cường độ sáng mạnh yếu.

* Áp trở: Có trị điện trở thay đổi theo mức điện áp cao thấp trên 2 chân của điện trở.

* Điện trở dò ẩm: Có trị điện trở thay đổi theo mức ẩm trên bề mặt ẩm trở.

* Điện trở đè : Có trị điện trở thay đổi theo sức đè, sức ép trên bề mặt điện trở.

Cách tính trị của các điện trở than (hình ống) thông dụng:

Với điện trở 4 vòng màu:

Vòng 1 và vòng 2, trị lấy theo màu.

Vòng 3 màu cho biết số số 0.

Vòng 4 cho biết mức gia giảm.

Thí dụ: Một điện trở có các vòng màu như sau:

Nâu + Đen + Đỏ + Hoàng kim sẽ có trị là: 1 + 0 + 00 gia giảm 5%, tức 1000 Ohm hay 1K.

Đỏ + Tím + Cam + Bạc sẽ có trị là: 2 + 7 + 000 gia giảm 10%, tức 2700 Ohm hay 2.7K.

Vàng + Tím + Vàng + không màu sẽ có trị là 4 + 7 + 0000 gia giảm 20%, tức 470000 Ohm hay 470K.

Công dụng của điện trở:

(1) Điện trở dùng để định dòng cho diode zener.

Để có mức áp ổn định 2.2V, chúng ta dùng diode zener D02BZ2_2 và trong mạch phải dùng điện trở hạn dòng. Với điện trở hạn dòng là 1K, dòng làm việc chảy qua diode zener là 9.801mA.

(2) Điện trở dùng làm cầu chia áp.

Từ nguồn nuôi là 9V, chúng ta dùng các điện trở để làm cầu chia volt, lấy ra các mức áp khác nhau.

* Mạch A lấy ra 1.22V trên điện trở 4.7K (chia áp với điện trở 33K).

* Mạch B lấy ra 1.579V trên điện trở 10K (chia áp với điện trở 47K).

* Mạch C lấy ra 4.5V trên điện trở 10K (chia áp với điện trở 10K).

* Mạch D lấy ra 2.878V trên điện trở 470K (chia áp với điện trở 1Meg).

Chúng ta thấy cầu điện trở có trị điện trở càng lớn thì dòng chảy qua nhánh sẽ càng nhỏ và ngược lại.

Cách mắc các điện trở: Có 2 cách mắc thường dùng, là m8a1c song song và mắc nối tiếp.

Mắc các điện trở theo kiểu nối tiếp sẽ tạo ra điện trở đẳng hiệu có trị lớn hơn, vậy nó cho dòng qua nhỏ. Và nếu mắc các điện trở theo kiểu song song sẽ tạo ra điện trở đẳng hiệu có trị nhỏ hơnvà nó sẽ cho dòng qua lớn hơn.

Một thí dụ: Dùng PSpice để xác định dòng và áp đối với cách mắc điện trở nối tiếp và cách mắc song song.

Đo điện trở với Ohm kế:

Hình vẽ cho thấy cách dùng Ohm kế để đo các điện trở.

Hình vẽ cho thấy cách dùng Ohm kế để đo các quang trở.

Nói chuyện dùng PSpice để mô phỏng, tính toán các trị cơ bản V, I, W trong mạch điện.

Trình tự làm như sau:

Bước 1: Vào PSpice để mô tả mạch điện.

Bước 2: Khai báo cách tính trang thái phân cực (Bias Point) cho mạch.

Bước 3: Đọc kết quả.

Trong nhiều trường hợp chúng ta sẽ dùng trình PSpice để khảo sát định lượng cho các mạch điện ứng dụng. Với trình PSpice Bạn thợ có thể làm được công việc như một kỹ sư thiết kế mạch.

Bước 4: Khảo sát điện áp theo hàm quét (DC Sweep) và đọc kết quả trên đồ thị.

Mạch điện khảo sát: Khảo sát với nguồn nuôi 9V.

Cách khai báo hàm quét là điện áp V1, biến đổi từ mức 0V đến 60V, bước tăng là 0.1V.

Đọc kết quả, đường xanh là điện áp lấy trên R2 và đường đỏ là điện áp lấy trên diode zener.

Quang trở và các ứng dụng.

Cấu tạo của quang trở:

Dùng quang trở để đó tốc độ quay:

Một ứng dụng thường gặp của quang trở:

Khi quang trở không bị che sáng (như trời sáng) thì nội trở của quang trở nhỏ, mức áp trên chân B của Q1 xuống thấp, Q1, Q2 dẫn yếu, Relay không được cấp dòng, trạng thái các tiếp điểm lá kim không thay đổi. Lúc này Led chỉ thị tắt.

Khi quang trở bị che sáng (như trời tối), nội trở của quang trở tăng lớn, nó khiến cho Q1, Q2 dẫn điện mạnh, Q2 sẽ cấp dòng cho Relay, Relay làm thay đổi trạng thái của các tiếp điểm lá kim. Lúc này Led chỉ thị phát sáng.

+ VR1 là biến trở dùng chỉnh mức nhậy

+ D1 là diode dùng dập biên điện áp nghịch.

+ Mạch làm việc với nguồn pin 9V.

Một ứng dụng khác của quang trở:

Mạch dùng quang trở làm cảm biết dò sáng và dùng mạch Flip Flop để tạo tín tự giữ, mạch đóng mở một relay 12V và dùng tiếp điểm lá kim để đóng mở điện cho các thiết bị khác.

Khi có sáng rọi vào quang trở, nó giảm trị số Ohm làm ngưng dẫn 2 transistor 2N3904 và 2N3053, mạch Flip Flop không được cấp dòng và Relay cũng không được cấp dòng, tiếp điểm lá kim ở trạng hái cố hữu.

Khi quang trở bị che sáng (tối), nó tăng Ohm và làm cho 2 transistor dẫn điện và cấp dòng cho Flip Flop tạo trạng thái lật, nếu trước đó Relay tắt thì lần nầy nó sẽ mở và tự giữ, ngược lại nếu trước đó Relay mở thì lần này sẽ tắt và tự giữ.

Nhận xét của người soạn: Mạch điện này ghi lại chỉ có tính tham khảo, tính ổn định của mạch kém, hiệu quả ráp thành công thấp, với các bạn "chưa có kinh nghiệm chọn linh kiện và hiệu chỉnh mạch", không nên ráp thực hành mạch điện này.

Ẩm trở, điện trở cảm biến theo độ ẩm.

Để phát hiện mức ẩm có trên các vật thể, người ta dùng điện trở DEW, hình dạng các điện trở dò ẩm như hình sau:

Trên lớp bề mặt là một chất cảm biến, khi khô không động nước, nó có nội trở nhỏ, khi bị đọng nước thì nội trở của nó sẽ tăng lên rất lớn, thay đổi này được dùng để đo mức ẩm trên các vật thể.

Điện trở DEW và các ứng dụng của nó:

Trong mạch: LM358N dùng làm tầng so áp, mức áp chuẩn đưa vào trên chân số 2, mức áp cảm biến lấy trên điện trở dò ẩm đưa vào trên chân số 3. Ngả ra trên chân số 1, trên ngả ra có Led chỉ thị và dùng một cảm biến để truyền tín hiệu về bo khiển.

* Khi trên bề mặt điện trở DEW khô, không đọng nước, nội trở của nó nhỏ (vài K), lúc đó mức volt trên chân 3 thấp hơn chân 2, trạng thái ngả ra trên chân 1 sẽ ở mức áp thấp, Led1 không sáng và cũng không có dòng qua Led trong opto, quang transistor trong opto không dẫn điện, mức áp trên chân C ở mức cao, Led2 chỉ thị cũng không sáng.

* Ngược lại, khi trên bề mặt điện trở DEW ướt, bị đọng nước, nội trở của nó tắng lên rất lớn (vài trăm K), lúc đó mức volt trên chân 3 lên cao hơn hơn chân 2, trạng thái ngả ra trên chân 1 sẽ lên mức áp cao, Led1 sáng và lúc này có dòng qua Led trong opto, quang transistor dẫn điện, mức áp trên chân C xuống mức áp thấp, Led2 chỉ thị cùng phát sáng.

Nhiệt trở và ứng dụng của nó.

Người ta dùng nhiệt trở để làm cảm biết dò mức nóng lạnh, có 2 loại nhiệt trở:

* Nhiệt trở dương (PTC), khi nhiệt độ càng nóng, trị điện trở của nó càng tăng.

* Nhiệt trở âm (NTC), khi nhiệt độ càng nóng, trị điện trở của nó càng giảm.

Một ứng dụng của nhiệt trở: Dùng điều chỉnh tự động tốc độ quay của quạt theo nhiệt độ:

Trong mạch, người ta dùng TRIAC để cấp dòng cho quạt gió.

* Khi nhiệt độ tăng cao thì nhiệt trở PTN sẽ tăng Ohm, cùng lúc nhiệt trở NTC lại giảm Ohm, điều này sẽ làm tăng góc mở điện của TRIAC, quạt sẽ nhận được nhiều điện năng hơn, nó tăng tốc độ quay lên.

* Khi nhiệt độ giảm xuống thấp thì nhiệt trở PTN sẽ giảm Ohm, cùng lúc nhiệt trở NTC lại tăng Ohm, điều này sẽ làm giảm nhỏ góc mở điện của TRIAC, quạt sẽ nhận được ít điện năng hơn, nó giảm tốc độ quay lên.

Một ứng dụng khác, tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ:

Mạch dùng LM311 làm tầng so áp, mức áp chuẩn lấy trên chiết áp 10K, đưa vào chân 2. Nhiệt trở âm (NTC) kết hợp với điện trở R1 (10K) làm cầu chia volt và tín hiệu cảm biến đưa vào chân 3. Khi nhiệt độ tăng cao, trị của nhiệt trở NTC giảm, mức áp chân 3 giảm xuống thấp hơn chân 2, vậy trạng thái ngả ra trên chân 7 sẽ tăng cao, nó làm cho transistor T1 bảo hòa, relay 12V được cấp dòng, nó đóng tiếp điểm lá kim và quạt gió sẽ quay.

Khi nhiệt độ giảm xuống mức thấp thì sao? Trị của nhiệt trở NTC sẽ tăng Ohm, làm cho mức áp trên chân 3 lên cao hơn mức áp trên chân 2, trạng thái ngả ra trên chân 7 sẽ chuyển nhanh xuống mức áp thấp, nó làm T1 ngưng dẫn và cắt dòng cấp cho relay 12V, và motor quạt cũng bị cắt dòng, ngưng thổi gió.

Điện trở cảm biến theo sức ép (Force Sensor Resistor, FSR).

Các điện trở cảm biến theo sức ép được dùng trong các máy cân, máy đo huyết áp.

Một sơ đồ tham khảo: Máy đo huyết áp.

Bạn có thể dùng cầu đo để làm cân điện tử:

Varistor, điện trở cảm biến theo điện áp.

Hình dạng các Varistor (cũng còn gọi là VDR, Voltage Dependent Resistor).

Đặc điểm của Varistor là:

* Khi điện áp AC trên 2 chân thấp hơn điện áp qui định, Varistor tác dụng như một điện trở vô cùng lớn (xem như hở mạch).

* Khi điện áp AC trên 2 chân cao hơn điện áp qui định, Varistor tác dụng như một điện trở nhỏ (xem như kín mạch).

Một ứng dụng của Varistor, dùng dập xung biên cao trên đường dây AC.

Lúc trời giông, chuyển mưa, các đám mây mang điện tích khác nhau trên trời đụng nhau thườngtạo ra sấm sét, tia sét là một hiện tượng điện học, khi sét đánh vào đường điện sẽ tạo ra xung điện có biên độ vọt lên rất cao, nhiều khi lên trên 10000V, xung điện này sẽ làm cháy các thiết bị như TV, điện thoại bàn, đầu máy... Để đề phòng trường hợp này làm hư máy, người dùng các Varistor, gắn trên đường nguồn AC.

Vậy:

* Lúc bình thường, trời quang đãng, mức áp cố hữu trên đường nguồn 220V không đủ cao và Varistor tác dụng như một điện trở rất lớn, xem như hở mạch, thiết bị hoạt động bình thường.

* Khi có sét đánh vào đường dây điện, trong tíc tắc, xung điện trên line có thể lên cao vài ngàn Volt, mức áp này cao hơn mức áp qui định của Varistor, nên Varistor sẽ giảm Ohm, trở thành một điện trở nhỏ và nó gây tải nặng và làm mất xung điện trên đường nguồn AC. Trường hợp xung điện quá mạnh, sẽ tạo dòng điện lớn chảy qua Varistor và sẽ làm đứt cầu chì (Bạn xem mạch được bảo vệ với Varistor 3 chân).

Tóm lại Bạn thường thấy linh kiện Varistor gắn trên các đường nguồn, đường tín hiệu , các đường dây dẫn từ ngoài trời vào máy, người ta dùng Varistor làm linh kiện để chống sét đánh, giữ an toàn cho máy.

Sau đây tôi liệt kê ký hiệu của các linh kiện thường dùng trong ngành điện tử học, các ký tự sắp theo thứ tự A, B, C... để Bạn dễ tìm.

Ghi nhận:Trong môn điện tử học, cách vẽ hình cho ký hiệu cũng có nhiều trường phái, (Nhật-Mỹ, Âu Châu, Trung Quốc...) nên cùng một linh kiện có nhiều kiểu ký hiệu sẽ cũng không có gì lạ.

Khi Bạn dùng OrCAD, trình Capture CIS để vẽ các sơ đồ mạch điện, mỗi linh kiện điện tử sẽ có một tên gọi riêng, Bạn muốn lấy ký hiệu của linh kiện nào, trước tiên Bạn phải nhớ tên đặt của linh kiện đó. Các linh kiện này đều cất trong vài chục thư viện khá lớn, Bạn phải làm quen với các thư viện này để biết nguồn tài nguyên mà OrCAD cấp cho chúng ta. Trong nhiều chuyên mục ở trang Web này, chúng tôi sẽ trở lại "bình luận" cách vẽ hình sao cho đẹp và có ý nghĩa với các linh kiện điện tử tự tạo, mong Bạn vào xem.

Sưu tầm