Hỏi về thiết kế mạch điện tử cơ bản

Hỏi về thiết kế mạch điện tử cơ bản

Các bạn thân mến,

Như chúng ta đều biết, chương trình học về điện tử ở các trường ĐH chủ yếu là lý thuyết, sinh viên hiếm khi cơ hội thực tập và do vậy, thường gặp khó khăn khi bắt tay vào thực tế, bản thân tôi cũng không phải là ngoại lệ. Vì vậy tôi mở topic này với mong muốn mọi người, trên tinh thần "đôi bạn cùng tiến", cùng giúp nhau học hỏi từ những bước cơ bản nhất cho đến các vấn đề nâng cao trong "Thiết kế mạch điện tử".

Trong này tôi thấy có nhiều bạn và các anh chị rất giỏi và có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực phần cứng, điện tử nói chung như huyphuc1981, htthanh, quen_mang_kinh, ... và còn nhiều bạn khác nữa. Hy vọng sẽ được các bạn giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm. Cảm ơn nhiều.

Tôi xin được bắt đầu bằng một mạch nhỏ như sau:

Đây là các mạch Power supply cung cấp điện từ nguồn (+/- 12V, 5V, 3.3V ...) cho các pin của ICs. Theo chỗ tôi hiểu thì các thành phần R, L, C kèm theo là để ổn định dòng vào cho IC vì các linh kiện này nhạy cảm và dễ hư hay vận hành sai khi nguồn cấp điện không ổn định. Tuy nhiên tôi vẫn còn một số thắc mắc:
1. Tại sao trong hình 1 ta không dùng một cuộn cảm (L) để ổn định dòng, triệt tiêu các xung AC như L10 của hình 2 mà lại dùng một điện trở (hạn dòng) R16 ?
2. Sự khác nhau về vai trò của các tụ hoá C28, C32 so với các tụ C29,C30,C31,C33 là gì ? Phải chăng các tụ hoá dùng để ổn định điện áp còn các tụ kia dùng để lọc các xung nhiễu ?
3. Các tụ nhỏ (C29,C30,C31,C33 ) thường được đặt ngay cạnh các chân power của IC trên board mạch để bypass các xung điện nhiễu cho dễ (nếu đặt xa thì không có hiệu quả). Nếu ta có thể layout các tụ hoá cạnh ngay các chân power này thì có thể bỏ qua các tụ bypass kia để giảm giá thành sản phẩm không?
Rất mong được sự trả lời của các bạn nhiều kinh nghiệm.

cái gì mà ổn định dòng ,cuộn cảm là dùng để lọc nguồn.Hình như mộc viên nên học lại thì phải?

Hi!
Tui có thể trả lời bác như sau:
R16 hay L10 cùng các tụ đều đóng vai trò lọc nhiễu (các gai điện áp). Với kiểu mắc R10 như trong hình thì bác gặp rất nhiều ở trong các mạch Amplifier nó được mắc giữa đường nguồn từ tầng công suất về tầng tiền khuếch đại và kết hợp với một tụ lọc để lọc nhiễu. Ở đây nó có hai tác dụng: Thứ nhất là hạ áp, nó tạo một phần sụt áp để giảm điện áp cung cấp cho tầng tiền khuếch đại. Thứ hai là khi mạch công suất hoạt động thì nó sẽ hút dòng rất lớn. Như bác đã biết, bất kỳ một bộ nguồn nào cũng tồn tại một giá trị điện trở vì vậy khi có dòng điện chạy qua thì nó sẽ tạo ra các điện áp gợn sóng, dòng càng lớn thì gợn sóng càng nhiều. Điện trở này cùng với tụ triệt gợn sóng đó không làm ảnh hưởng tới tầng tiền khuếch đại. Đó là một ví dụ điển hình vì thiết kế Amply thì bất kỳ sinh viên điện tử nào cũng phải làm nên tui lấy ví dụ đó cho dể hiểu. Trong các mạch khác thì chức năng của nó vẫn tương tự. Đối với cuộn cảm L10 thì chỉ có một chức năng là lọc nhiễu vì nội trở của nó khá nhỏ nên không có tác dụng giảm áp. Trong các ứng dụng lọc nhiễu của nguồn công suất cao thì người ta thường dùng cuộn cảm vì nó chịu được dòng lớn. Tác dụng lọc nhiễu của nó thì chắc bác cũng đã biết. Cuộn cảm có tính chất: Dòng điện qua cuộn cảm không đột biến. Chính vì thế nó ngăn không cho các gai điện áp qua mạch.
Một số tụ thường được mắc gần chân nguồn của IC số có tác dụng lọc nhiễu nguồn. Tui xin trích một đoạn trong sách Sơ đồ chân linh kiện của Dương Minh Trí như sau: " Để tổng trở nguồn nuôi được giữ thấp, cần phải có những tụ điện mắc giữa hai cực. Đó là các tụ gốm có trị số từ 1uF đến 100nF. Để các tụ điện đạt hiệu quả cao nên nối chúng càng gần mạch in càng tốt. Cứ 4 đến 6 IC thì cần một tụ điện. Các tụ này cần có tính cao tần tốt mặt khác góc hao của tụ điện (tg) phải khá lớn để các dao động được hình thành bởi các tụ và độ tự cảm của mạch in được suy giảm mạnh". Chức năng thứ 2 là để triệt nhiễu cao tần do tính chất điện áp trên tụ không đột biến. Nói chung bác cần tìm hiểu thêm nữa, trình độ của tui cũng có hạn nên chỉ giải thích được đến thế. Nếu bác nào có bổ sung gì thì post lên cho bà con học hỏi tiếp nhé. Chúc vui vẻ.

Cảm ơn các bạn đã trả lời.
To lehoaithanh: lọc nguồn cũng nhằm để ổn định dòng mà. Tác dụng không làm dòng điện đi qua biến đổi đột biến của cuộn cảm, như bạn eHard đã nói, giúp nó có thể lọc các xung Ac nhiễu (gai điện áp) hay tránh làm dòng giảm đột ngột, nghĩa là cũng để dòng điện được "sạch" và ổn định hơn.
To eHard: Cảm ơn bạn đã trả lời rất chi tiết cụ thể. Tuy nhiên tôi vẫn còn vài thắc mắc sau, mong các bạn chỉ thêm.
1. Về vai trò của R16 trong hình 1: như đã nói từ đầu, cả 2 mạch trong hình 1 và 2 đều nhằm làm ổn định dòng và áp vào các chân power của ICs. Bạn nói rằng R16 dùng để "hạ áp" (!?), nhưng ở đây một là ta không cần hạ áp mà cần đúng áp bằng +12V, hai là tại sao chỉ có hình 1 được gắn R16 để "hạ áp" mà hình 2 lại không?
Tôi cũng không hiểu rõ tác dụng "triệt gợn sóng" của R16. Bạn có thể nói rõ hơn không? Thế nào là "(bất kỳ một bộ nguồn nào cũng tồn tại một giá trị điện trở vì vậy) khi có dòng điện chạy qua thì nó sẽ tạo ra các điện áp gợn sóng" ? Tôi nghĩ đây chỉ là mạch DC bình thường đơn giản, chắc không đến nỗi gây ra hiện tượng "hút dòng" ghê gớm như trong các động cơ xoay chiều. Vả lại, nếu nói là để "triệt gợn sóng (điện áp)" thì chỉ nên dùng tụ chứ R đâu có tác dụng này ?
2. Về cuộn cảm L10 dùng để lọc nhiễu cho nguồn 5V thì tôi đã biết, nhưng tại sao ta không dùng nó thường xuyên cho các mạch powersupply, chẳng hạn như mạch ở hình 1 ?
3. Về phần tác dụng các tụ để triệt tiêu các gai điện áp thì đã rõ rồi, nhưng còn dùng "để tổng trở nguồn nuôi được giữ thấp, cần phải có những tụ điện mắc giữa hai cực" như bác Dương Minh Trí viết nghĩa là sao? Vả lại, tôi vẫn chưa thấy được sự phân biệt vai trò rõ rệt của các tụ hoá và các tụ còn lại kia ?
Nói chung về mạch điện tử tôi cũng biết một số, thậm chí cứ nhắm mắt làm theo những thiết kế có sẵn, miễn chạy được là tốt, cũng được. Nhưng dẫu sao biết tường tận về các thứ, ngay từ những cái cơ bản nhất, thì vẫn hay hơn. Phải không ạ.

Hi!
Nói chung cái gì cũng nên hiểu tường tận về bản chất thì mới nhớ và phát triển rộng lên được. Tuy nhiên ở đây, bác đã tìm cái bản chất thuần tuý quá cũng thấy khó hiểu dù cho người khác giải thích rất chi tiết. Có một cách là ta gạt điện tử sang một bên và liên tưởng ngoài thực tế cho dể hiểu. Ta tưởng tượng mạch cấp nguồn của bác là một con sông và cái điện trở của bác là một cái đập chắn ( điện trở đặc trưng cho tính cản trở dòng điện mà). Phía trên nguồn là phía không có tụ lọc, còn phía dưới nguồn là phía sau cái đập chắn (phía sau điện trở hay phía có tụ). Khi có cái đập chắn đó thì dù cho nước trên nguồn có dâng lên hay hạ xuống (gợn điện áp) thì mức nước phía sau đập vẫn ổn định (cái này bác lên thuỷ điện sẻ thấy rất rõ). Như vậy, các điện áp gợn sóng hay các nhiễu chỉ có thể tác động lên phần phía trước điện trở mà không thể đi qua được.
Vấn đề thứ 2 là tác dụng hạ áp: Cái tác dụng này thì thấy rõ trong mạch amply thôi vì phần tiền khuếch đại dùng nguồn nhỏ hơn tầng công suất. Còn trường hợp điện áp ra mà bằng với điện áp vào thì chỉ khi R16 đó có giá trị 0 ôm hoặc dòng điện chạy qua bằng 0 mà thôi. Chả nhẻ bác không biết định luật Ôm?. Hình 1 có mà hình 2 không có là do đặc tính của tải, công suất tải vv...
Vấn đề nguồn, tui cũng không hiểu bác học ở trường như thế nào nữa mà cái này bác cũng không biết. Bất kỳ một bộ nguồn nào cũng tồn tại nội trở cả dù là DC hay AC. Để kiểm chứng điều này thì bác lấy một cục Pin còn mạnh và một cục Pin đã xài hết. Bác dùng thang đo VDC của VOM bác sẽ đo được cục mạnh là 1.5V và cục yếu cũng xấp xĩ 1.5V điều này chứng tỏ khi không tải (thực ra điện trở vào của VOM rất lớn) thì 2 bộ nguồn có mức điện áp như nhau. Nhưng khi bác thử mắc một tải vào có thể là một điện trở hay một bóng đèn. Nếu bóng đèn thì bác sẽ thấy với cục Pin mạnh thì nó sáng rất mạnh nhưng với cục Pin yếu thì bóng sáng rất lu mờ thậm chí không sáng. Còn nếu bác dùng điện trở làm tải thì bác hãy đo điện áp đặt lên tải xem cục Pin yếu có còn là 1.5V nữa không. Một số đồng hồ đo có chức năng đo Pin cũng có thể thấy rõ được điều này. Lý do là trong quá trình sử dụng các phản ứng hoá học xảy ra yếu dần và nội trở của Pin tăng dần. Đó là một ví dụ về nội trở của nguồn. Chắc đến đây bác đã hiểu.
Sự khác biệt giữa tụ hoá và các tụ kia là ở chổ trị số của chúng. Thông thường các tụ thường có giá trị lớn nhất là 1uF còn tụ hoá thì có thể vài ngàn. Ngược lại trị số của tụ hoá thì nhỏ nhất là 0.1uF còn tụ thường thì có thể cỡ pF cũng có. Các tụ có trị số lớn thường được dùng để lọc các tần số thấp như các tụ lọc ở phía sau cầu diode chẳng hạn. Còn tụ có trị số nhỏ là để lọc các tần số cao. Bởi vì tính chất của tụ điện là điện áp trên tụ không đột biến. Chắc bác không còn thắc mắc gì nữa chứ ? Nếu có thì hỏi thầy hỏi bạn để biết thêm, khả năng của tui chỉ có hạn. Chúc vui vẻ.

Ở đây, cần tính toán một chút. Các phương trình tính toán tuy trong phức tạp nhưng có thể thự hiện nhanh trên mathlab hay một số công cụ khác. Nếu không tính, có thể "diễn nghĩa" như sau
Hình 1
Nếu không có điện trở thì mỗi thay đổi điện áp cấp đều trực tiếp ảnh hưởng đến tải. Loại này, ổn được nhiễu từ ngoài vào, nhưng nếu tải thay đổi điện trở liên tục và mạnh (IC) thì tiêu. Tụ hoá và tụ gốm dập xung có tần số khác nhau: hoá thấp gốm cao.
Hình 2
Khi tải thay đổi điện trở mạnh là nó đó. Nó như một kho chứa. Khi taỉ thay đổi, L như van đóng nguồn ngoài, dùng nguồn tụ. Khi hết thay đổi tải, L như máy phát cấp thêm lay lấy đi năng lượng tụ nhanh chóng.

mộc viên đo thử dòng điện qua cuộn cảm xem thử nó có thay đổi nhiều không thì biết liền?KHi con ic của mộc viên chạy thì tui đoán điện áp ra của mạch lọc thây đổi rất ít so với dòng

Hi, dù không được rõ ràng hoàn toàn nhưng tôi cũng hiểu thêm nhiều. Cảm ơn bác eHard nhé