Bài 9 Công nghệ 12: Thiết kế mạch điện tử đơn giản

Trả lời nhanh

Thiết kế mạch điện tử gồm hai bước: thiết kế mạch nguyên lí (tìm hiểu yêu cầu, đưa ra phương án, chọn phương án hợp lí, tính toán và chọn linh kiện) rồi thiết kế mạch lắp ráp (bố trí linh kiện, vẽ đường dây nối). Bài tính nguồn 4,5 V – 0,2 A cho kết quả: công suất biến áp 1,17 W, U₂ ≈ 4,5 V, điôt chịu I ≥ 1 A và U_ngược ≥ 11,5 V, tụ lọc 1000 µF – 16 V.

Câu 1: Các bước thiết kế mạch điện tử

Một mạch điện tử muốn chạy được ngoài thực tế phải đi qua hai giai đoạn: “nghĩ ra mạch” trên giấy rồi “đặt mạch” lên bảng lắp ráp.

Bước 1. Thiết kế mạch nguyên lí

Tìm hiểu yêu cầu của mạch: mạch dùng để làm gì, điện áp, dòng điện, công suất bao nhiêu.
Đưa ra một số phương án thực hiện (ví dụ nguồn một chiều có thể dùng chỉnh lưu nửa chu kì hoặc chỉnh lưu cầu).
Chọn phương án hợp lí nhất, cân nhắc chất lượng, độ phức tạp, giá thành.
Tính toán và chọn linh kiện cho phù hợp với phương án đã chọn.

Bước 2. Thiết kế mạch lắp ráp

Bố trí các linh kiện khoa học, hợp lí trên bo mạch.
Vẽ đường dây dẫn nối các linh kiện đúng theo sơ đồ nguyên lí.
Dây dẫn không chồng chéo và càng ngắn càng tốt.

Mẹo nhớ: “Nguyên lí thì tính – lắp ráp thì xếp”. Bước đầu trả lời câu hỏi “dùng linh kiện gì, giá trị bao nhiêu”; bước sau trả lời “đặt ở đâu, nối thế nào”.

Lỗi hay gặp: học sinh quên bước “đưa ra nhiều phương án rồi chọn” mà nhảy thẳng vào tính toán; hoặc đảo thứ tự hai bước.

Câu 2: Thiết kế nguồn một chiều chỉnh lưu cầu

Đề bài: nguồn một chiều chỉnh lưu cầu, điện áp tải U_t = 4,5 V, dòng tải I_t = 0,2 A, sụt áp mỗi điôt ΔU_D = 0,8 V, điện áp sơ cấp U₁ = 220 V.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu bốn điôt có tụ lọc và tải — Sơ đồ nguyên lí nguồn một chiều chỉnh lưu cầu có tụ lọc C song song với tải

Ở nửa chu kì mà đầu trên của cuộn thứ cấp dương, điôt D1 và D4 dẫn; nửa chu kì sau, D2 và D3 dẫn. Dòng qua tải luôn đi theo một chiều, tụ C làm phẳng điện áp.

a) Máy biến áp

Công suất biến áp: P = k_p·U_t·I_t, chọn k_p = 1,3.

P = 1,3 × 4,5 × 0,2 = 1,17 W.

Điện áp thứ cấp: điện áp cực đại ở thứ cấp phải bù được điện áp tải, sụt áp trên hai điôt (dòng luôn đi qua hai điôt nối tiếp) và sụt áp trong biến áp khi có tải (lấy khoảng 6%U_t). Vì thế:

U₂ = (U_t + 2ΔU_D + 6%·U_t) / √2 = (4,5 + 2×0,8 + 0,27) / 1,414 = 6,37 / 1,414 ≈ 4,5 V.

Chia cho √2 vì hai giá trị trong ngoặc là giá trị đỉnh cần đạt, còn U₂ là giá trị hiệu dụng.

Từ đó tỉ số biến áp U₁/U₂ = 220/4,5 ≈ 49 (sơ cấp nhiều vòng hơn thứ cấp khoảng 49 lần).

b) Điôt

Dòng định mức: mỗi điôt chỉ dẫn nửa chu kì nên I_D = k_I·I_t/2, chọn k_I = 10: I_D = 10 × 0,2 / 2 = 1 A.
Điện áp ngược lớn nhất: U_N = k_U·U₂·√2, chọn k_U = 1,8: U_N = 1,8 × 4,5 × 1,414 ≈ 11,5 V.

Vậy cần chọn điôt có U_N ≥ 11,5 V, I_đm ≥ 1 A, sụt áp thuận khoảng 0,8 V. Các hệ số k_I, k_U là hệ số an toàn, để điôt không làm việc sát giới hạn. Đề không cho bảng tra nên tính được thông số là đủ; thực tế có thể chọn loại có dòng và điện áp ngược lớn hơn nhiều, như 1N1089 (100 V, 5 A).

c) Tụ lọc

Điện áp tụ phải chịu: U₂·√2 = 4,5 × 1,414 ≈ 6,36 V.
Chọn điện áp định mức lớn hơn đáng kể giá trị đó: U_đm ≥ 16 V (giá trị tiêu chuẩn gần nhất, dư an toàn).
Điện dung càng lớn thì lọc càng phẳng: chọn C = 1000 µF.

Bảng tổng hợp kết quả

Linh kiện	Đại lượng	Công thức	Kết quả
Biến áp	Công suất	k_p·U_t·I_t	1,17 W
Biến áp	U₂	(U_t + 2ΔU_D + 6%U_t)/√2	≈ 4,5 V
Điôt	Dòng định mức	k_I·I_t/2	≥ 1 A
Điôt	Điện áp ngược	k_U·U₂·√2	≥ 11,5 V
Tụ lọc	C và U_đm	U₂·√2 ≈ 6,36 V	1000 µF, ≥ 16 V

Lỗi sai thường gặp khi giải

Chỉ trừ một lần ΔU_D: ở mạch cầu, dòng đi qua hai điôt nên phải nhân 2.
Quên chia cho √2 khi tính U₂, hoặc quên nhân √2 khi tính điện áp ngược và điện áp tụ.
Quên chia 2 ở dòng điôt (mỗi điôt chỉ dẫn một nửa chu kì).
Lấy điện áp định mức tụ đúng bằng 6,36 V: cần chọn lớn hơn để có dự phòng.

Luyện tập

Bài 1. Thiết kế nguồn chỉnh lưu cầu với U_t = 6 V, I_t = 0,5 A, ΔU_D = 0,8 V, sụt áp biến áp 6%U_t, các hệ số k_p = 1,3; k_I = 10; k_U = 1,8. Tính công suất biến áp, U₂, thông số điôt.

Đáp án: P = 1,3 × 6 × 0,5 = 3,9 W. U₂ = (6 + 1,6 + 0,36)/1,414 = 7,96/1,414 ≈ 5,63 V. I_D = 10 × 0,5/2 = 2,5 A. U_N = 1,8 × 5,63 × 1,414 ≈ 14,3 V. Tụ chịu U₂√2 ≈ 7,96 V nên có thể chọn tụ 16 V (ví dụ 2200 µF).

Bài 2. Nêu thứ tự đúng: (1) chọn phương án hợp lí; (2) vẽ đường dây dẫn; (3) tìm hiểu yêu cầu; (4) tính toán chọn linh kiện.

Đáp án: (3) → (1) → (4) → (2). Ba bước đầu thuộc mạch nguyên lí (sau khi đưa ra các phương án), bước cuối thuộc mạch lắp ráp.

Xem thêm

Câu hỏi thường gặp

Thiết kế mạch điện tử gồm mấy bước?

Gồm hai bước lớn: thiết kế mạch nguyên lí (tìm hiểu yêu cầu, đưa ra phương án, chọn phương án, tính toán và chọn linh kiện) và thiết kế mạch lắp ráp (bố trí linh kiện, vẽ dây nối ngắn gọn, không chồng chéo).

Vì sao khi tính U2 của mạch chỉnh lưu cầu phải trừ 2 lần sụt áp điôt?

Vì ở mỗi nửa chu kì dòng điện đi qua hai điôt mắc nối tiếp, nên tổng sụt áp là 2ΔU_D = 1,6 V.

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên điôt trong bài 9 là bao nhiêu?

U_N = k_U·U2·√2 = 1,8 × 4,5 × 1,414 ≈ 11,5 V, nên phải chọn điôt có điện áp ngược chịu được từ 11,5 V trở lên.

Tụ lọc trong mạch nguồn nên chọn thế nào?

Điện dung càng lớn lọc càng tốt (bài chọn 1000 µF) và điện áp định mức phải lớn hơn U2·√2 ≈ 6,36 V, nên chọn loại từ 16 V trở lên.