Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Mở đầu
Đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng và
trạng thái dùng IC4017BC
1. lý do chọn đề tài:
đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điện đếm dùng ic cd4017bc là đề tài
nghiên cứu về kỹ thuật xung cơ bản nhất , nhằm tạo ra một bước ngoặt đầu
tiên cho chúng ta làm quen với môn học kỹ thuật xung đầy lý thú và bổ ích
.Qua đó hiểu biết về ngành kỹ thuật xung số điện tử đang phát triển rất
mạnh mẽ hiện nay và giúp chung ta hiểu biết sáng tạo ra nhưng thành quả
áp dụng thực tiến hiện nay: Bảng quảng cáo, áp phíc, mạch điện tử lớn
hơn
Như chúng ta đã biết, nền khoa học kỹ thuật phát triển gắn liền với sự
phát triển của nhân loại
Xưa kia con người chỉ biết lao động sáng tạo ra những vật liệu và những
công cụ lao động rất thô sơ. Thời gian phát triển tích luỹ kinh nghiệm cùng
với sự tìm tòi sáng tạo, con người đã sáng tạo những công cụ lao động hiện
đại hơn thay hẳn sức lao động của con người (các thiết bị bằng kim loại rồi
các thiết bị máy móc hiện đại ), làm cho năng suất lao động tăng cao hơn
rất nhiều. Không chỉ dừng lại ở những thành quả đó, con người tiếp tục tìm
tòi sáng tạo ra nhiều cái mới để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt vui chơi
giải trí cho bản thân mình .Những thành tựu của thế kỷ 21 ngày nay là kết
quả của sự không ngừng tìm tòi sáng tạo đó.
Những thành tựu đó phải nói đến các ngành khoa học kỹ thuật, nó là ngành
mũi nhọn của mỗi quốc gia, trong các ngành KHKT phát triển hiện
nay:CNTT, Y Học, phải nói đến ngành KT Điện Tử, là ngành quan
trọng đóng vai trò tất yếu trong tất cả các ngành CNTT , TTLL, Quân sự
và các ngành chế tạo
Kỹ thuật Xung số là một trong những lĩnh vực rất phát triển hiện nay
của ngành KT Điện Tử .
Kỹ thuật là môn học kỹ thuật cơ sở của ngành điện tử và điện tử công

thiết kế.
+Tính toán thiết kế chính xác thời gian, chu kỳ, tần số của mạch điện.
+Sử dụng linh kiện phù hợp với những tính toán thiết kế trên của mạch
điện.
6. Luận điểm bảo vệ:
Mô hình của đề tài phân thành 3 cấp:
3
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
+ở cấp độ nhỏ: Nghiên cứu thiết kế mạch dao động định thì dùng IC
NE555.
+ở cấp độ trung bình : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC
CD4017BC.
+ở cấp độ lớn : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC
CD4017BC với các đèn công suất lớn điều khiển ánh sáng những dòng
chữ trong hộp quảng cáo.
7. Bố cục của đề tài:
Đề tài gồm các trang , hình, bảng, tài liệu tham khảo & phụ lục.Các phần
và các chương của đề tài được sắp xếp như sau:
+Mở đầu.
+Chương 1: Linh kiện điện tử cơ bản.
+Chương 2: Thiết kế mạch điện , lắp ráp , phân tích mạch điện.
+Chương 3: ứng dụng mô hình vào thực tiến.
+Kết quả và những diễn biến trong quá trình lắp ráp,bài học kinh
nghiệm
+Kết luận và kiến nghị .
4
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Chương 1:
Linh kiện điện tử cơ bản
Để có thể nắm vững về kiến thức điện tử cơ bản : về cấu tạo và nguyên lý


M u n nà ề
Vòng 4
Hình dáng i n trđ ệ ở
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
bảng quy ước màu sắc điện trở hoa kỳ
Màu
Vòng số một Vòng thứ haiVòng thứ ba Vòng số 4
(Số thứ nhất ) (Số thứ hai) (Số bội ) (Sai số )
Đen 0 0 x 10
0
Nâu 1 1 x 10
1
± 1%
Đỏ 2 2 x 10
2
± 2%
Cam 3 3 x 10
3
Vàng 4 4 x 10
4
Xanh lá 5 5 x 10
5
Xanh dương6 6 x 10
6
Tím 7 7 x 10
7
Xám 8 8 x 10
8
Trắng 9 9 x 10

điện trở sẽ bị cháy.
Công suất của điện trở thay đổi theo kích thước lớn hay nhỏ với trị số
gần đúng như sau :
- Công suất 1/4w có chiều dài khoảng 0,7 cm
- Công suất 1/2Wcó chiều dài khoảng 1 cm
- Công suất 1W có chiều dài khoảng 1,2 cm
- Công suất 2W có chiều dài khoảng 1,6 cm
- Công suất 4 W có chiều dài khoảng 2,4 cm
Những điện trở công suất lớn hơn thường là những điện trở dây quấn
3: Biến trở (Variable Resistor, viết tắt là VR)
Biến trở_ hay còn được gọi là chiết áp_được cấu tạo gồm một điện
trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung, góc quay 270
0
. Có một
trục xoay ở giữa nối với một con trượt được làm bằng than (cho biến trở
dây quấn ) hay làm bằng kim loại có biến trở than, con trượt sẽ ép lên
mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi xoay
trục.
Hình dáng của biến trở con trượt Đặc tính của biến trở
Góc quay
8
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
100%
Logarit
50%

Điện trở

C.U=I.t suy ra
C
U
1
=
I.t
9
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Điện áp nạp được trên tụ là sự tích tụ của dòng điện nạp vào tụ theo thời
gian t (ý nghĩa trong toán học là tích phân ).
Đối với dòng điện xoay chiều hình sin , trị số tức thời của điện áp là :
u(t)=U
m
.sin
ω
t
Hệ thức liên hệ giữa dòng điện i(t)và điện áp u
c
là:
u(t)=
dt
dq
=CU
m

ω
.cos
ω
t (gọi I
m

t và i(t)=I
m
.sin






+
2
π
ω
t
So sánh biểu thức u(t) với biểu thức tính điện áp trên tụ ta có :
U
m
=
C
ω
Im
=
fC
π
2
Im
(C=2
π
f)
Đây là điện áp cực đại nạp được trên tụ .

2
11
=
X
c
: dung kháng (
Ω
)
f : tần số (Hz)
C: điện dung(F)
Dung kháng X
c
của tụ điện tỉ lệ nghịch với tần số f và điện dung C.
10
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Dung kháng cũng có đơn vi tính là Ohm giống như điện trở.
III . Diod
1.DIOD bãn dẫn:
1.1.Cấu tạo:
Khi chất bán dẫn đang trung hoà về điện mà vùng bán dẫn N bị mất
electron ( qua mắt nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở
thành có điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron
( từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thanh có điện tích âm
(ion âm). hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn
đẩy electron không cho electrron từ vùng N sang P nữa.
sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện áp.
diod bán dẫn có cấu tạo và kí hiệu như hình dưới :
Mỗi nối
P N
Lỗ trống P N electron

Khi vùng N mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ
kéo điện thích âm từ cực âm của nguồn lên thế chỗ, khi vùng P nhận
electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện
tích âm từ vùng P về. như vậy, đã có một dòng electron chạy liên tục từ
cực âm của nguồn qua diod từ N sang P về cực dương của nguồn, nói cách
khác, có dòng điện đi qua diod theo chiều từ P sang N.
1.3.Đặc tính kỹ thuật:
Trên mạch thí nghiêm như hình, người ta đo dòng điện I
D
qua diod và
điện áp V
D
trên hai chân P và N của diod.
đầu tiên phân cực thuận diod rồi tăng điện áp V
DC
từ 0V lên và khi trên
diod đạt trị số điện áp là V
D
=V
γ
thì mới bắt đầu có dòng điện qua diod.
V
D
V
D
12
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
V
D
I

tế thì khi V
D
nhỏ hơn 0,5 V (Si) hay 0,15V (Ge) là đã có dòng điện đi qua
diod. sau khi vượt qua điện áp thềm V
γ
thì dòng điện qua diod sẽ tăng lên
theo hàm số mũ và được tính theo công thức:
Khi phân cực thuận:V
D
> V
γ

thì e
Vd /26 mV
>> 1n nên
I
D
= I
S
.e
Vd / 26 mV
Khi phân cực ngược: V
D
< 0V thì e
Vd /26 mV
<<1 nên
I
D
≈ I
S

S
.(e
(Vd / 26mV)
–
1)
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
qua diod tăng lên rất lớn sẽ làm hư diod. lúc đó, nhiều electron ở vùng
xung quanh mối nối bị bứt ra, đập vào các electron lân cận tạo hiện tượng
thác đổ làm tăng mạnh dòng điện qua diod.
điện áp ngược đủ để tạo dòng điện ngược lớn qua diod phải lớn hơn trị số
V
Gmax
(reverse: ngược ). lúc đó, diod sẽ bị đánh thủng nên V
Rmax
còn gọi là
điện áp đánh thủng của diod. khi sử dụng diod phải đặc biệt chú ý đến trị
số này.
ngoài ra diod còn một thông số kĩ thuật quan trọng khác đó là I
Fmax

(forward: thuận) là dòng điện thuận cực đại. Khi dẫn điện, diod bị đốt
nóng bởi công thức P=I
D
. V
D
. nếu dòng I
D
>trị số I
Fmax
thì diod sẽ bị hư do

2.1. cấu tạo – nguyên lý:
quang diod có cấu tạo bán dẫn giống như diod thường nhưng đặt
trong vỏ cách điện có một mặt là nhựa hay thuỷ tinh trong suốt để nhận
ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối P – N của diod, có loại dùng thấu
kính hội tụ để tập trung ánh sáng.
đối với diod khi phân cực thuận thì dòng điện thuận qua diod lớn do
dòng hạt tải đa số di chuyển, khi phân cực nghịch thì dòng điện nghịch
qua diod rất nhỏ do dòng hạt tải thiểu số di chuyển.
qua kinh nghiệm cho thấy khi phôtôn diod được phân cực thuận thì hai
trường hợp mối nối P-N được chiếu sáng thì dòng điện nghịch tăng lên
lớn hơn nhiều lần so với khi bị che tối. do nguyên lý trên quang diod
14
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
được sử dụng ở trạng thái ngược trong các mạch điều khiển theo ánh
sáng.
2.2 . kí hiệu – hình dáng mặt nhận ánh sáng 2.3 . đặc tính:
quang diod có đặc tính:
- tuyến tính
- ít nhiễu
- giải tần số rộng
- tuổi thọ dài
hình dưới là đặc tuyến cho thấy sự thay đổi của dòng điện ngượcI
R

của quang diod theo độ chiếu sáng.
do hiệu ứng quang điện diod cho ra một điện áp khi chiếu sáng. do đó nó
có thể làm việc mà không cần một điện áp bên ngoài. tuy nhiên nếu có một

V
R
= 0 v LE
100kΩ
Lux 2,2kΩ
2.4 . ứng dụng:
trong mạch điện hình trên khi quang diod bị che tối transistor không
được phân cực nên ngưng dẫn , OP – AMP có điện áp ngõ trừ (V
-
i
) lớn
hơn điện áp ngõ cộng V
i
+
) nên ngõ ra có V
0
= 0V. ngược lại khi quang
diod được chiếu sáng thì transistor được phân cực nên dẫn điện, OP –
AMP có V
+
i
>V
-
i
nên ngõ ra V
0
= + V
CC
và LED sáng.
3.Các mạch nguồn chỉnh lưu

VP max >= 2 2 . VAC
b. mạch nắn điện toàn kỳ một pha:
mạch nắn điện toàn kỳ một pha dùng cầu diod D1 đến D4 như sơ đồ hình
2:
A
D
4
D
1
16
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
V
AC
D
3
D
2
R
L
b V
0
khi điểm A có bán kỳ dương so với điểm B thì diod D1 dẫn điện qua
tải R rồi trở về nguồn qua diod D3 ( dòng điện có đường liền nét). Khi
điểm B có bán kỳ dương so với điểm A thì diod D2 dẫn điện qua tải R rồi
trở về nguồn qua diod D4 ( dòng điện có đường nét rời) như vậy 4 diod
chia ra 2 cặp D1- D3 và D2- D4 luân phiên nhau dẫn điện nên điện áp ngõ
ra là những bán kỳ dương liên tục.
điện áp trung bình một chiều ở ngõ ra là:
Vo =
Π

sai bi tệ
V
0
=H ng sằ ốV
i
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Sơ đồ hình trên là sơ đò chức năng cho thấy nguyên tắc của các mạch ổn
áp trong đó các khối chức năng sau:
a.mạch tạo ổn áp chuẩn:
Lấy điện áp từ nguồn chung ra một mức điện áp không đổi ,điện áp này
gọi là điện áp chuẩn V
R
(Reference) .Điện áp chuẩn V
R
chính là cơ sở
cho việc ổn áp, điện áp ra V
0
sẽ bị điều khiển trực tiếp bởi điện áp
chuẩn.
b.Mạch lấy điện áp mẫu:
Là mạch lấy điện áp ở ngõ ra đổi thành mức điện áp bằng hay gần
bằng mức điện áp chuẩn, mức điện áp này gọi là mức điện áp mẫuV
S

(Sample) hay còn được gọi là điện áp hồi tiếp V
F
khi ngõ ra có điện áp
bị thay đổi sẽ làm cho điện áp hồi tiếp nhỏ hơn hay lớn hơn điện áp
chuẩn V
R

theo công thức này để có V
0
ổn định thì V
i
tăng mạnh phải điều khiển làm
cho R
S
tăng và ngược lại .
Trong mạch ổn áp song song phần tử điều khiển R
S
được mắc song song
với điện trở R
L
.Khi đó điện áp ra V
0
được tính theo công thức :
V
0
=V
0
– (I
L
+ I
S
). R (I
S
=V
0
/R
S

=V
i
. t
on
/( t
on
+ t
off
)
Theo công thức này để có V
0
ổn định thì khi V
i
tăng mạch phải điều khiển
làm cho giảm thời gian t
on
tức là tăng t
off
và ngược lại.
a. ổn áp nối tiếp (Hình 1)
b. ổn áp song song (Hình 2)
c. ổn áp xung (Hình 3)

V
0
R
S
V
i
I

C
R
L
n áp xungổ
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Hiện nay người ta chế tạo được các IC ổn áp ba chân rất tiện lợi cho
việc thiết kế các bộn nguồn ổn áp có công suất nhỏ vì chỉ dùng ít linh kiện
bên ngoài.

5.1.IC ổn áp ba chân họ 78XX và 79XX:
IC họ 78XX là IC ổn áp nguồn dương , IC họ 79XX là IC ổn áp nguồn
âm. Hai số sau ghi là XX chỉ điện áp ra được ổn định .
Thí dụ :7812 : Là IC ổn áp nguồn dương V
0
=+12 v
7912 : Là IC ổn áp nguồn âm V
0
=-12 v
Tuỳ theo khả năng cung cấp dòng điện của IC ổn áp người ta ghi thêm một
mẫu tự sau họ 78 hay họ 79 để chỉ dòng điện ra danh định .
Thí dụ: IC 78Lxx : có dòng ra định danh là 100mA
IC 78xx :có dòng ra định danh là 1mA
IC 78Mxx : có dòng ra định danh là 500mA
IC 78Txx : có dòng ra định danh là 3mA
IC 78Hxx : có dòng ra định danh là 5mA
Loại IC ổn áp khác tương ứng với họ 78 và 79 :
• Họ LM 340xx tương ứng với 78XX
• Họ LM 320xx tương ứng với 79XX
5.2.Các dạng vỏ IC ổn áp:
20

+V
0
IM78XX
IM79XX
M ch n áp d ngạ ổ ươ M ch n áp âmạ ổ
v
i
-v
i
.33 .1 .33 .1
R
-V
0
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
R
1
Hiện nay người ta còn chế tạp ra ổn áp 3 chân có thể điều chỉnh được
điện áp ra bằng mạch điều chỉnh đặt bên ngoài IC rất tiện dụng, khả năng
điều chỉnh điện áp ở ngõ ra của các loại IC này từ 1,2 đến 25 V.
Loại IC ổn áp dương có LM117 \ 217 \ 317
Loại IC ổn áp âm có LM 137 \ 237 \ 337
Mạch điện trên là mạch ứng dụng của IC ổn áp dương điều chỉnh được.
Yêu cầu :
V
0
= 1,2 v ÷ 25 v
V
i
≥ 28 v
Dòng điện điều chỉnh I

transistor là từ ghép của hai từ tranfer + resistor được dịch là điện
chuyển” . transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau
tạo thành 2 mối nối P-N .
tuỳ theo cách sắp xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo hai loại
transistor là transistor PNP và NPN.
cực phát E (emiter)
Cực nền B (base )
cực thu C (collector)
ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là cực phát E cực nền B và cực
thu C (hình trên) cực phát E và cực thu C tuy cùng chất bán dẫn nhưng do
kích thước và nồng độ pha tạp chất khác nhau nên không thể hoán đổi
nhau được.
để phân biệt với các loại transistor khác, loại transistor PNP và NPN
còn được gọi là transistor lưỡng nối viết tắt là BJT (bipolar Junction
transistor).
2. NGUYÊN Lý VậN CHUYểN CủA transistor
xét transistor loại NPN.
a. thí nghiệm 1.
cực E nối vào cực âm cực C nối vào cực dương của nguồn D C, cực
B để hở (hình dưới) trường hợp này e trong vùng bán dẫn N của cực E
và C, do tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E
về cực C. Do cực B để hở nên e từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không
thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên không có hiện tượng tái hợp
giưã e và lỗ trống và do đó không có dòng điện qua transistor.
23
e
p
n
p
b

dương cao hơn nên hút hầu hết electron trong vùng bán dẫn P sang vùng
bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện I
C
. cực E nối vào nguồn điện
áp âm nên khi bán dẫn N bị mất electron sẽ bị hút electron từ nguồn âm
lên thế chỗ tạo thành dòng điện I
E
.
hình mũi tên trong transistor chỉ chiều dòng e di chuyển, dòng điện
quy ước chạy ngược dòng electrron nên dòng điện I
B
và I
C
đi từ ngoài
vào transistor, dòng điện I
E
đi từ transistor ra.
số lượng electron bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên
dòng điện I
B
và I
C
đều chạy sang cực E.
ta có:
24
I
E
=I
B
+I

lỗ trống xuất phát từ E.
Theo hình trên , transistor PNP có cực E nối vào cực dương , cực C
nối vào cực âm của nguồn DC, cực B để hở .
Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P của cực E và C, do
tác dụng của lực tĩnh điện, sẽ di chuyển theo hướng từ cực E về cực C.
Do cực B để hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ không thể
sang vùng bán dẫn N của cực B nên không có hiện tượng tái hợp giữa lỗ
trống và electron, do đó không có dòng điện qua transistor.
b. thí nghiệm 4:
25
p
n
n
c
e
b
ph©n cùc thuËn
ph©n cùc nguîc
P N P
Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế
Mạch thí nghiệm giống thí nghiệm 3 nhưng nối cực B vào một điện
áp âm sao cho :
V
B
<V
E
và V
B
>V
C

và I
C
đều từ cực E chạy qua .
Ta có:
I
E
=I
B
+ I
C
c.Trạng tháiphân cực cho hai mối nối:
Về cấu tạo transistor PNP được xem như hai diod ghép ngược (hình
dưới) . transistor PNP sẽ dẫn điện khi được cung cấp điện áp các cực
như thí nghiệm 4 (hình trên). lúc đó , diod BE được phân cực thuận và
diod BC được phân cực ngược .
26
e
n
p n
c
Ic
Ib
b
Ie
6.2
I
C
I
E
P N P