AVR-Ho Tro Phan Cung

Copyright © 2010 Cùng học AVR Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Created by QuocHuy Hoang

[email protected] Page 1

Mạch nạp

Nội dung Các bài cần tham khảo trước

1. Mạch nạp ISP STK200/300.

2. Chương trình nạp PonyProg.

3. Mạch nạp USB AVR910.

Download PonyProg , Download AVR910 USB

Làm quen AVR.

Một trong những ưu điểm lớn nhất của các chip AVR là tính đơn giản khi sử dụng trong đó có việc nạp chương trình cho chip. AVR hỗ trợ khả năng nạp chương trình ngay trong hệ thống - ISP(In-System Programming), có thể nạp trực tiếp chương trình vào chip mà không cần tháo chip ra khỏi mạch ứng dụng.

Mạch nạp cho AVR rất phong phú nhưng hầu hết đều rất đơn giản. Trong bài này tôi giới thiệu 2 loại mạch nạp rất phổ biến trong những người sử dụng AVR đó là mạch ISP SKT200/300 (gọi tắt là AVR ISP) và mạch USB AVR910. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng, tùy theo nhu cầu và khả năng bạn sẽ chọn chế tạo cho mình 1 loại mạch nạp phù hợp.

I. M ạch nạp STK200/300.

Mạch nạp loại này sử dụng cho các board STK200/300 của Atmel nên thường được gọi là STK200/300. Mạch này giao tiếp với máy tính qua cổng LPT (cổng song song). Có 2 phiên bản phổ biến của mạch STK200/300 đó là phiên bản thu gọn và phiên bản sử dụng IC đệm 74xx244.

Sơ đồ mạch nạp thu gọn được trình bày trong hình 1. Đây là loại mạch đơn giản nhất trong tất cả các loại mạch nạp cho AVR, mạch chỉ bao gồm 4 điện trở. Nhược điểm của mạch này là không an toàn, có thể gây hại cho cổng LPT (thật ra tôi chưa mắc phải vấn đề này khi sử dụng mạch STK200/300 thu gọn). Mặt khác mạch này không đảm bảo nạp được cho tất cả các chip AVR. Tuy nhiên, nếu bạn không có nhiều kinh nghiệm làm các mạch điện tử thì có thể chế tạo mạch này để test chương trình AVR mà bạn đã học.




Hình 1. Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn.

Một loại mạch STK200/300 khác được sử dụng rất phổ biến là loại mạch có dùng IC đệm 74HC244 (hoặc 74LS244), so với mạch thu gọn, mạch này có phức tạp hơn đôi chút (xem hình 2) nhưng bù lại nó là mạch nạp rất ổn định và an toàn. Mạch này được hỗ trợ bởi rất nhiều chương trình nạp và sử dụng được cho hầu hết các loại chip AVR.




Hình 2. Sơ đồ mạch nạp STK200/300 đầy đủ.

Như quan sát trong hình 1 và 2, việc nạp ISP cho AVR thường được thực hiện thông qua 6 đường nạp cơ bản, đó là GND, VCC, RESET, SCK, MISO và MOSI. Khi chế tạo mạch nạp, bạn phải chú ý thứ tự của các đường nạp này sao cho phù hợp với thứ tự mà bạn đã bố trí cho mạch ứng dụng. Một điều đặc biệt là ở các chip ATmega16, ATmega32, ATmega8535, AT90S8535...6 đường dành cho việc nạp ISP nằm cạnh nhau và theo thứ tự GND, VCC, RESET, SCK, MISO, MOSI. Vì thế tôi khuyên bạn nên bố trí theo thứ tự này để tiện trong việc kết nối với mạch ứng dụng (nhất là khi bạn sử dụng các loại chip trên và làm mạch test bằng bread board)..Các mạch nạp STK200/300 được mô tả trong hình 3.




Hình 3. Mạch nạp STK200/300.

II. Chương trình nạp PonyProg.

Chương trình nạp là một tiện ít giúp đổ file hex sau khi biên dịch vào chip thông qua các mạch nạp. Hầu hết các bộ công cụ lập trình cho AVR đều tích hợp sẵn một chương trình nạp chip. avrdude là chương trình nạp miễn phí hỗ trợ rất nhiều loại mạch, được tích hợp với WinAVR. Tuy nhiên, đây là chương trình nạp console (không có giao diện) nên sử dụng tương đối khó khăn nhất là khi cần nạp các bit Fuse hay Lock. Các phần mêm lập trình cho chip như CodevisionAVR, ICCAVR, Bascom,...đều có chương trình nạp riêng rất đa năng và dễ sử dụng. Nhưng do đây là các công cụ thương mại nên bạn cần mua nếu muốn sử dụng. AVR Studio, tất nhiên, có chương trình nạp chip AVR Prog nhưng chương trình này lại không hỗ trợ mạch nạp mà STK200/300 mà tôi giới thiệu bên trên. Cuối cùng là PonyProg, PonyProg không phải là hoàn hảo nhất nhưng là lựa chọn tối ưu nhất để nạp bằng mạch STK200/300. Đây là chương trình nạp hoàn toàn miễn phí, hỗ trợ nhiều loại mạch và nhiều dòng vi điều khiển (như AVR, PIC...), giao diện lại khá dễ sử dụng. Trong phần này tôi dùng PonyProg để minh họa cho cách nạp chương trình vào AVR thông qua mạch nạp STK200/300.

Download và cài đặt PonyProg: bạn có thể download miễn phí PonyProg tại website chính thức của Lancos hoặc tại đây. Cài đặt và tiến hành setup phần mềm.




Setup: Trước khi sử dụng PonyProg để nạp AVR bạn cần Setup một số thông số cho phần mềm như loại chip, loại mạch nạp...Chạy PonyProg, chọn menu Device và chọn loại chip mà bạn cần nạp (ví dụ "AVR micro/ ATmega32" ). Tiếp đến xác nhận loại mạch nạp và giao diện cổng bằng cách vào menu "Setup/Interface Setup"...Với mạch nạp STK200/300, hãy set các thông số trong dialog "I/O Port setup" như trong hình 4 và nhấn OK để xác nhận Setup.

Hình 4. Setup port cho ponyProg.

Ghi fuse bits và Lock bits: Ponyprog cho phép người dùng ghi và đọc các bit cấu hình của chip như fuse bits và lock bits, để thực hiện, chọn menu "Command/Security and Configuration bits" hay đơn giản là nhấn tổ hợp phím Ctrl+S . Dialog mới xuất hiện cho phép bạn cài đăt các bit cấu hình cho chip (chọn các bit mong muốn và nhấn button write - xem thêm bài fuse bits để hiểu rõ hơn chức năng các bit này).

Download chương trình vào chip: Hãy mở file chương trình cần nạp vào chip bằng cách vào menu "File/Open Program (FLASH) file " hoặc nhấn nút công cụ "P" trên thanh công cụ. Nội dung file FLASH sẽ được hiển thị trong 1 cửa sổ con. Để nạp chương trình cho chip, hãy vào menu "Command/Write Program(FLASH) " hoặc nhấn nút công cụ "Write Program Memory(FLASH) " trên thanh công cụ.

Ngoài ra, PonyProg còn có rất nhiều chức năng khác như đọc nội dung chip, xóa chip, kiểm tra...với các chức năng này bạn hãy tự khám phá và sử dụng.

III. M ạch nạp USB AVR910.

Tuy mạch nạp STK200/300 đơn giản, dễ chế tạo nhưng có một hạn chế là mạch này sử dụng cổng LPT làm cổng giao tiếp. Trên một số máy tính gần đây cổng LPT đã bị loại bỏ, thay vào đó các cổng USB đã trở thành cổng giao tiếp không thể thiếu của máy tinh. Một mạch nạp sử dụng cổng USB sẽ tiện lợi hơn rất nhiều so với cổng LPT hay COM. Có một số dự án nghiên cứu chế tạo mạch nạp USB cho AVR, trong số đó có lẽ phổ biến nhất là mạch nạp AVR910 USB của Prottoss. Gọi là mạch AVR910 vì




nguyên lý nạp chương trình của mạch này áp dụng hướng dẫn trong application note 910 của Atmel về In-System Programming. Mạch AVR910 USB được điều khiển bởi một chip Master Atmega8, chip này chứa một firmware bên trong, firmware thực hiện 2 chức năng: thứ nhất là một cầu chuyển USB-UART dựa trên thư viện của Objective Development và thứ hai là điều khiển quá trình nạp theo "chuẩn" AVR910.

Mạch nạp ARV910 USB không quá phức tạp cho bạn tự chế tạo, hãy download các công cụ cần thiết từ website của Prottoss hoặc download trực tiếp tại đây và thực hiện theo các chỉ dẫn bên dưới.

Giải nén file rar vừa download về bạn sẽ thấy có 3 files bên trong. File thứ nhất là sơ đồ mạch điện (file pdf), file thứ hai là driver cho máy tính (file inf ) và file thứ 3 là firmware cho chip master ATmega8 (file hex - xem hình bên dưới).

Chế tạo mạch: tham khảo sơ đồ mạch điện và chế tạo một mạch điện theo mạch nguyên lý trong file pdf hoặc trong hình 5 bên dưới.

Hình 5. Sơ đồ mạch nạp AVR910 USB của Prottoss.

Khi chế tạo mạch điện trên, bạn lưu ý một số điểm như sau: hãy bỏ qua các Jumper J1, J2 và J3, nối trực tiếp chân 16 của ATmega8 với điện trở R13. Nếu bạn




không biết cách xác định thứ tự chân của cổng USB thì hãy dùng một đổng hồ đo điện áp, chân 1 sẽ có điện áp dương (khoảng 5V) và chân 4 là chân GND).

Nạp firmware cho chip mega8: trước khi gắn chip mega8 vào mạch điện hình 5, bạn phải nạp firmware (file USB.910.Programmer.hex) vào chip này bằng một mạch nạp bất kỳ mà bạn có (ví dụ mạch STK200/300). Chú ý bạn cần set fuse bit cho chip này sao cho nguồn thạch anh ngoài 12MHz đươc sử dụng (hãy đặt 2 bit BOOTZS0 và BOOTSZ1 bằng 0 (checked), các bit còn lại bằng 1 (bỏ trống) - tham khảo bài Fuse bits).

Cài driver cho windows: sau khi chế tạo mạch và nạp firmware cho chip master, bạn kết nối mạch nạp với cổng USB của máy tính. Một cách tự động, Windows sẽ nhận diện một phần cứng mới được kết nối và yêu cầu cài đặt driver cho thiết bị. Hãy browse đến thư mục chứa file driver inf mà bạn đã giải nén. Quá trình cài driver sẽ bắt đầu, nếu trong quá trình cài đặt Windows thông báo lỗi bạn hãy nhấn "Continue anyway..." để tiếp tục cài đặt đến khi hoàn tất. Sau khi cài đặt driver một cổng COM ảo sẽ xuất hiện trong Hardware list của bạn, hãy mở tiện ích Device manager của Windows để kiểm tra, hãy ghi lại chỉ số cổng COM ảo (COM1, COM2, COM3...) để khai báo trong các chương trình nạp.

Sử dụng AVR910 USB: mạch nạp AVR910 USB được hỗ trợ bởi phần mềm nạp của CodevisionAVR và AVR Prog của AVRStudio. Kết nối mạch với máy tính, chạy AVRStudio và chương trình nạp AVR Prog (vào menu Tools/AVR Prog). Trong mục Hex file hãy browse đến file hex cần nạp cho chip, mục Device chọn loại chip AVR và sau đó nhấn button Write trong mục Flash để nạp vào file hex vào chip. Nếu muốn xác lập fuse bits hay lock bits, hãy nhấn button Advance.




Hình 6. Nạp chip bằng mạch nạp AVR910 USB và AVR Prog.

Mạch ứng dụng AVR

Mạch ứng dụng cho AVR là các mạch điện mà bạn cần thiết kế sử dụng chip AVR làm chip điều khiển. Với mục đích học cách sử dụng chip AVR, chúng ta chỉ cần chế tạo các mạch ứng dụng AVR đơn giản với một số thành phần cơ bản nhất. Hình 1 giới thiệu một mạch ứng dụng đơn giản cho chip ATmega32.




Hình 1. Mạch ứng dụng đơn giản cho AVR.

Một số thành phần cơ bản trong mạch:

- Mạch tạo nguồn: chip 7805 và các tụ điện được dùng để tạo nguồn 5V ổn định cho mạch ứng dụng.

- Các chân nguồn cho chip: bạn cần cấp nguồn và mass cho chip, bạn phải nối chân VCC (chân 10 cho chip ATmega32), và AVCC (chân 30) với nguồn VCC, nối các chân GND và AGND với mass.

- Các đường nạp chip: chúng ta dành sẵn các đường này để có thể kết nới với các mạch nạp mà không cần tháo chip khỏi mạch ứng dụng. Bạn nên bố trí các đường này theo thứ tự mà mạch nạp của bạn được bố trí (ví dụ GND, VCC, RESET, SCK, MISO, MOSI).

- Bộ tạo dao động - Thạch anh (Crystal): đây là nguồn xung giữ nhịp "nuôi" chip, không có xung giữ nhịp chip sẽ không hoạt động. Tuy nhiên, đa số các chip AVR đều hỗ trợ nguồn xung giữ nhịp bên trong với tần số tối ta 8MHz. Nếu bạn thấy không cần thiết đến tần số hoạt động cao bạn có thể dùng nguồn xung giữ nhịp trong chip, khi đó bạn có thể bỏ qua bộ tạo xung (gồm thạch anh và 2 tụ điện như trong hình). Việc chọn nguồn xung "nuôi" chip được xác lập bởi các Fuse bits, bạn cần đọc tài liệu về fuse bits cho AVR hoặc bài Set Fuse Bits. Một chú ý khác là trên dòng chip ATmega, fuse




bits được set mặc định để sử dụng nguồn xung nội 1MHz, vì thế với các chip này, khi mới mua về bạn có thể không cần dùng thạch anh ngoài. Nhưng một khi bạn đã set fuse bits để chọn nguồn xung ngoài thì không được bỏ qua mạch thạch anh này. (Các chip AT90S..mặc định lấy nguồn xung ngoài).

- Chân AREF là chân điện áp tham chiếu cho các bộ ADC, nếu chế độ tham chiếu nội được dùng, bạn có thể nối AREF với một tụ điện như trong hình 1.

Đối với các chip AVR khác, bạn có thể tạo mạch ứng dụng theo cách tương tự như mạch điện này. Hình 2 mô tả cách tự tạo một mạch AVR rất đơn giản bằng breadboard cho chip ATmega32 (dùng thạch anh nội).

Hình 2. Mạch ứng dụng đơn giản cho ATmega32.




Mạch cầu H

Nội dung Các bài cần tham khảo trước

1. Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).

2. Mạch cầu H dùng rờ le .

3. Mạch cầu H dùng BJT công suất.

4. Mạch cầu H dùng MOSFET

I. M ạch cầu H (H-Bridge Circuit).

Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn điện DC (ắc qui điện – battery). Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu dây (A với (-), B với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay. Tất nhiên khi bạn là một “control guy” thì bạn không hề muốn làm công việc “động tay động chân” này (đảo chiều đấu dây), bạn ắt sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động thực hiện việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn. Như thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng. Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng “tầm thường” như thế. Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này có hình chữ cái H. Xem minh họa trong hình 1.




Hình 1. Mạch cầu H.

Trong hình 1, hãy xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua các hình minh họa 2a và 2b.




Hình 2. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.

Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết kế mạch) mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), bạn dễ dàng hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND (như hình 2a). Như thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B. Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND). Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) bằng “một cách nào đó”. Chuyện gì sẽ xảy ra nếu ai đó đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1 và L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Rất dễ tìm câu trả lời, đó là hiện tượng “ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra. Cách đóng các khóa như thế này là điều “đại kị” đối với mạch cầu H. Để tránh việc này xảy ra, người ta thường dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết rõ hơn về mạch logic này trong các phần sau. Giả thiết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên cùng đóng (ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường hợp này, cả 2 đầu A, B của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Nói chung, chúng ta nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này. Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể. Như tôi đã




trình bày trong phần trước, thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung vào 3 loại linh kiện này. Trong mỗi cách thiết kế, tôi sẽ giải thích ngắn gọn nguyên lý cấu tạo và hoạt động của từng loại linh kiện để bạn đọc dễ nắm bắt hơn.

II. M ạch cầu H dùng rờ le.

Rờ le là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện (electrical mechanical device, không phải cơ điện tử đâu nhé :) ). Gọi là công tắc cơ điện vì chúng gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Với khả năng đóng mở các tiếp điểm, rờ le đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H. Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa là chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển rờ le, qua đó điều khiển mạch cầu H. Hãy quan sát cấu tạo và hình dáng của một loại rờ le thông dụng trong hình 3.

Hình 3. Cấu tạo và hình dáng rờ le.

Hình 3a (phía trên) mô tả cấu tạo của 1 rờ le 2 tiếp điểm. Có 3 cực trên rờ le này. Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp điểm thường đóng (Normal Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal Open). Trong điều kiện bình thường, khi rờ le không hoạt động, do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành một kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là tiếp điểm thường đóng (bình thường đã đóng). Khi một điện áp được áp vào 2 đường kích Solenoid (cuộn dây của nam châm điện), nam châm điện tạo ra 1 lực từ kéo thanh nam châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và NO. Hoạt động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích Solenoid. Một




đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của rờ le là tính “cách li”. Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của rờ le, và vì thế sẽ rất an toàn. Có 2 thông số quan trọng cho 1 rờ le là điện áp kích Solenoid và dòng lớn nhất mà các điểm điểm chịu được. Điện áp kích solenoid thường là 5V, 12V hoặc 24V, việc kích solenoid chính là công việc của chip điều khiển (ví dụ AVR). Vì tiếp xúc giữa cực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp xúc. Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn rờ le phù hợp. Hình 3a (phía dưới) là ký hiệu của một rờ le mà bạn có thể gặp trong các phần mềm thiết kế mạch điện tử. Trong ký hiệu này, chân 1 là chân C, chân 2 là tiếp điểm NC và chân 3 là tiếp điểm NO, trong khi đó hai chân 4 và 5 là 2 đầu của cuộn solenoid. Chúng ta sẽ dùng ký hiệu này khi vẽ mạch cầu H dùng rờ le. Sơ đồ một mạch cầu H đầu đủ dùng rờ le được minh họa trong hình 4.

Hình 4. Mạch cầu H dùng rờ le.

Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện tượng dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đường kích solenoid không được nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc kích các transistor lại được thực hiện qua các điện trở. Tạm thời chúng ta gọi tổ hợp điện trở + transistor là “mạch kích”, tôi sẽ giải thích rõ hơn hoạt động của mạch kích trong phần tiếp theo. Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng. Vì




vậy, mạch cầu H bằng rờ le không được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các linh điện có thể thay thế rờ le trong mạch cầu H, gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên đến hàng nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây.

II. M ạch cầu H dùng BJT công suất.

BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn (semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo. Trong tất cả các tài liệu về điện tử cơ bản đều giải thích về bán dẫn và BJT, trong tài liệu này tôi chỉ giới thiệu khái quát cấu tạo của transistor và chủ yếu là các chế độ hoạt động của transistor. Bán dẫn là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si) là một ví dụ điển hình, các nguyên tố này có 4 electron ở lớp ngoài cùng. Ở trạng thái thường, Si là chất dẫn điện kém (gần như không dẫn điện), khi nhiệt độ tăng, các electron dao động mạnh và dễ dàng bị “bứt” ra khỏi tinh thể và do đó tính dẫn điện của bán dẫn sẽ tăng. Tuy nhiên, bán dẫn được dùng để chế tạo linh kiện điện tử không phải là các tinh thể thuần khiết mà có pha “tạp chất”. Nếu pha nguyên tố nhóm V (như Photpho) vào Si, 4 electron lớp ngoài cùng của P tạo liên kết công hóa trị với Si và có 1 electron của P bị “thừa” (vì P có 5 electron lớp ngoài cùng). Chất bán dẫn có pha Photpho vì thế rất dễ dẫn điện và có tính chất “âm” nên gọi là bán dẫn loại n (Negative), “hạt dẫn” trong bán dẫn loại n là electron (e thừa). Trường hợp nguyên tố nhóm III, như Bo (Boron), được pha vào Si, 3 electron lớp ngoài cùng của Bo kết hợp với 4 electron của Si tuy nhiên vẫn còn 1 “chỗ trống” sẵn sàng nhận electron. “Chỗ trống” này được gọi là “lỗ trống” và có tính chất như 1 loại hạt dẫn dương. Bán dẫn loại này vì thế gọi là bán dẫn loại p (Positive). Mức độ pha tạp chất quyết định độ dẫn của bán dẫn. Tuy nhiên, bán dẫn có pha tạp chất dù đã cải thiện tính dẫn điện vẫn không có nhiều tác dụng, “điều kỳ diệu” chỉ xảy ra khi ghép chúng lại với nhau. Khi ghép bán dẫn loại p và loại n với nhau tạo thành tiếp xúc p-n (p-n junction), đây chính là các diode. Đặc điểm của tiếp xúc p-n là chỉ có dòng điện chạy qua theo 1 chiều từ p sang n. Khi ghép 3 lớp bán dẫn sẽ tạo thành transistor, phụ thuộc vào thứ tự bán dẫn được ghép chúng ta có transistor npn hay pnp. Tôi sẽ chọn transistor npn để giải thích hoạt động của transistor vì loại này được dùng phổ biến trong các ứng dụng điều khiển (và cả trong mạch cầu H). Hình 5 là mô hình và ký kiệu của transistor npn.

Hình 5. Transistor npn.




Ba lớp bán dẫn n, p và n kết hợp tạo thành 3 cực C (cực thu-Collector), cực B (nền – Base) và cực E (phát – Emitter). Tùy theo cách mắc transistor mà người ta có các loại phân cực khác nhau, trong hình 6 tôi trình bày cách phân cực rất cơ bản mà chúng ta sẽ dùng sau này, phân cực E chung (CE- Common Emitter).

Hình 6. Phân cực E chung cho npn BJT.

Tuy là được tạo nên từ các bán dẫn tạp chất nhưng nồng độ tạp chất của các lớp trong npn BJT rất khác nhau. Lớp E rất “giàu” hạt dẫn, kế đến là lớp C và lớp B thì lại rất ít hạt dẫn và rất mỏng. Khi điện áp cực B lớn hơn điện áp cực E, tiếp xúc p-n giữa B và E được phân cực thuận. Dòng electron từ E (vốn có rất nhiều do cách pha tạp chất) ào ạt “chảy” về B, trong khi lớp B (bán dẫn loại p) vốn rất mỏng và nghèo hạt dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E sẽ “tràn” qua cực C và đi về nguồn Vc như mô tả trên hình 6. Chú ý trên hình 6 tôi vẽ chiều di chuyển là chiều của dòng electron, chiều dòng điện sẽ ngược lại (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều electron). Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B đã gây ra dòng điện từ cực C về E. Quan hệ của các dòng điện như sau: IE=IB+IC (1) Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến cực B. mối quan hệ như sau: IC=hfeIB (2) Thông số hfe gọi là hệ số khuyếch đại tĩnh (DC Current Gain) của BJT và là hằng số được ghi bởi các nhà sản xuất, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loại BJT, gái trị của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm. Chính vì đặc điểm này mà transistor được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại”. Hãy quan sát phần mạch điện bên phải trong hình 6 (phía Vc), nếu giả sử đoạn CE của BJT là một “điện trở”, xem lại công thức (2), nếu tăng dòng điện IB thì dòng IC sẽ tăng theo trong khi điện trở RC và nguồn VC lại không đổi, rõ ràng “điện trở EC” đang giảm. Nói cách khác, dòng IB sẽ làm giảm điện trở giữa 2 cực CE của BJT. Tiếp tực tăng IB thì điều gì xảy ra, điện trở giữa 2 cực CE sẽ giảm đến giá trị nhỏ nhất có thể của nó (thường gần bằng 0, giá trị này được ghi trong datasheet mỗi loại của BJT). Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần như cố định (VC, RC, RCE) nên dòng IC cũng đạt giá trị max và gần như không thay đổi cho dù có tăng IB. Quan hệ giữa IB và IC không còn đúng như công thức (2). Hiện tượng này gọi là bão hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của




transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của các mạch điện tử số (điều này giải thích tại sao người ta hay đề cập đến số lượng transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy tính chẳng hạn). Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là ICmax < hfeIB. Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt động như một “khóa điện tử”, hãy xem hình 7.

Hình 7. Khóa điện tử BJT.

Giả sử trong mạch điện ở hình 7 RB=330, RC=10K , hệ số khuyếch đại tĩnh của transistor là 100. Khi điện áp ở ngõ vào Vi=0V, BJT không hoạt động, dòng điện qua RC bằng 0 (hoặc rất nhỏ), điện áp ngõ ra Vo=12V. Khi Vi được kích kích bởi điện áp 5V, dòng IB=(5 - 0.7)/330=0.013A trong đó 0.7 là điện áp rơi trên BE. Dòng IC đạt giá trị lớn nhất khi VCE=0V, khi đó ICmax =12/10K=0.0012A. Rõ ràng IC < hfeIB và BJT sẽ bão hòa. Khi BJT bão hòa, VCE=0V và ngõ ra Vo được “nối” v ới GND nên Vo=0V . Tóm lại, bằng cách thay đổi mức điện áp Vi từ 0V sang 5V, điện áp ngõ ra sẽ được “switch” từ 12V sang 0V. Hoạt động của BJT khi bão hòa đôi khi còn được gọi là khuyếch đại điện áp. Vì chế độ bão hòa, BJT có thể được dùng làm các khóa điện tử trong mạch cầu H. Bạn hãy dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động của 4 BJT 2N3904 dùng trong mạch cầu H ở hình 4. Mạch điện trong hình 7 gọi là E chung. Mạch E chung của BJT hoạt động rất tốt trong chế độ khóa điện tử. Nếu chúng thay điện trở bằng động cơ thì mạch này tương đương với phần phía dưới của mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 hoặc R2 trong hình 1). Câu hỏi đặt ra là có thể dùng thêm 1 BJT npn như trên để làm phần trên của mạch cầu H. Hãy xét mạch điện trong hình 8.




Hình 8. Mạch C chung.

Mạch điện trong hình 8 gọi là mạch C chung, điểm khác biệt duy nhất của mạch điện này so với hình 7 là điện trở RC được dời xuống phía dưới cực E nên gọi là RE. Không cần khảo sát phần cực C hãy khảo sát mạch Vi -> B ->E -> RE -> GND. Khi Vi=5V, do điện áp rơi trên BE luôn là 0.7V (đặc điểm của tiếp xúc pn khi dẫn điện) nên điện áp rơi trên điện trở RE luôn là 4.3V mặc dù điện áp cực C là 12V, như thế điện áp giữa 2 cực CE là 12 - 4.3 = 7.7V. Điều này được hiểu là giữa CE có một “điện trở” khá lớn, “khóa điện tử” không hoạt động tốt đối với mạch C chung. Nếu RE là một motor DC loại 12V thì rõ ràng motor không hoạt động tốt vì điện áp rơi trên nó chỉ có 4.3V. Mặc khác điện áp CE quá lớn có thể gây hỏng BJT. Vì lí do này nếu bạn dùng BJT npn làm phần trên của mạch cầu H, BJT này sẽ rất mau hỏng (rất nóng) và mạch không hoạt động tốt. Như vậy, một chú ý khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT là “t ải” ph ải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch E chung như trong hình 7. Quay lại mạch cầu H, giải pháp để vượt qua nhược điểm đề cập ở trên là sử dụng BJT loại pnp cho phần trên của mạch cầu H. Nguyên lý hoạt động của BJT pnp cũng na ná npn nhưng chiều dòng điện thì ngược lại. Với các khóa điện tử dùng BJT loại pnp, để kích khóa thì điện áp cực B được kéo xuống thấp thay vì kéo lên cao như trong hình 7. Chúng ta hãy khảo sát một một ví dụ trong hình 9.




Hình 9. Mạch E chung dùng BJT pnp.

Mũi tên trong ký hiệu của BJT pnp hướng từ E vào B, ngược lại với BJT npn. Nếu điện áp Vi=12V=VE hoặc ngõ Vi không được kết nối thì BJT không hoạt động, không có dòng điện qua RC vì dòng IB =0 nên dòng IC =0. Khi Vi=0V thì dòng IB xuất hiện và xuất hiện dòng IC (từ cực E) , nếu dòng IB đủ lớn sẽ gây bão hòa BJT và điện áp VEC gần bằng 0V hay điện áp rơi trên RC gần bằng 12V, khóa hoạt động rất tốt. Do đó, BJT pnp thường được dùng làm phần trên trong các mạch cầu H. Một điều thú vị là mạch điện trong hình 9 cũng là một mạch E chung. Có lẽ đã đến lúc chúng ta di thiết kết một mạch cầu H hoàn chỉnh dùng BJT. Trong hình 10 tôi giới thiệu một cách thiết kế, đây không phải là cách duy nhất nhưng tôi sẽ dùng mạch này trong việc giải thích và ví dụ điều khiển (nếu có). Bạn có thể “chế” l ại tùy thích miễn sao đảm bảo tất cả các BJT phải rơi vào trạng thái bão hòa khi được kích.




Hình 10. Mạch cầu H dùng BJT.

Tôi chọn 2 loại BJT công suất trung bình TIP41C và TIP42C để làm mạch cầu. Điện áp cao nhất mà 2 loai BJT này chịu được là 100V và dòng tối đa là 6A (chỉ là danh nghĩa, thực tế có thể thấp hơn). BJT npn TIP41C có thể kích trực tiếp, riêng BJT pnp TIP42C cần dùng thêm 1 BJT loại npn 2N3904 làm “mạch kích”. Khi điện áp ngõ L1 ở mức thấp, BJT Q0-1 không hoạt động, không tồn tại dòng IC của BJT này, nghĩa là không có dòng IB của BJT Q1, Q1 vì thế không hoạt động và tương đương một khóa Q1 mở. Khi L1 được kéo lên mức cao, 5V, BJT Q0-1 bão hòa (mạch E chung), dòng IC của Q0-1 xuất hiện và cũng là dòng IB của BJT Q1. Q1 vì thế cũng bão hòa và tương đương một khóa đóng. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp chuẩn 0V và 5V để kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể lên vài chục hay trăm Volt. Các đường L1, L2, R1 và R2 sẽ được vi điều khiển (AVR) điều khiển. Do BJT có thể được kích ở tốc độ rất cao nên ngoài chức năng đảo chiều, mạch cầu H dùng BJT có thể dùng điều khiển tốc độ motor bằng cách áp tín hiệu PWM vào các đường kích (thảo luận sau). Nhược điểm lớn nhất của mạch cầu H dùng BJT là công suất của BJT thường nhỏ, vì vậy với motor công suất lớn thì BJT ít được sử dụng. Mạch điện kích cho BJT cần tính toán rất kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, nếu không sẽ hỏng BJT. Mặt khác, điện trở CE của BJT khi bão hòa cũng tương đối lớn, BJT vì vậy có thể bị nóng…Trong phần tiếp theo tôi giới thiệu một loại linh kiện khác thường dùng làm mạch cầu H, MOSFET.




IV. M ạch cầu H dùng MOSFET.

MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p.

Hình 11. MOSFET.

MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện áp dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện áp dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1). MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để giải thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như trong hình 12.




Hình 12. Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC.

Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET tương đồng.




Hình 13. Mạch cầu H dùng MOSFET.

Tôi dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối cao (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần kích cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh P) tôi phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn. Khi kích các line L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn. Vi điều khiển có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2.

...

Documents

AVR-Ho Tro Phan Cung