Điện trở là thành phần cơ bản nhất mà mọi người đam mê điện tử hoặc kỹ sư sẽ bắt đầu khi bước vào thế giới điện tử. Vì vậy, để giúp đỡ người mới bắt đầu, tôi đã tập hợp hướng dẫn này, nơi tôi sẽ giải thích cách hoạt động của điện trở và trả lời ba câu hỏi quan trọng về điện trở.
- Điện trở là gì?
- Điện trở hoạt động như thế nào?
- Làm thế nào để sử dụng điện trở trong mạch của bạn?
Vào cuối hướng dẫn này, bạn sẽ có thể giải thích điện trở là gì, nó hoạt động như thế nào và các ứng dụng quan trọng nhất của điện trở trong mạch điện tử. Hướng dẫn này sẽ rất dài nên tôi khuyên bạn nên đánh dấu trang này và đọc nó với một vài lần nghỉ.
ĐIỆN TRỞ LÀ GÌ:
Điện trở là một thành phần thụ động được sử dụng trong hầu hết các bảng mạch trong điện tử. Mục đích của điện trở là cản trở dòng điện chảy qua nó và do đó có tên là Điện trở (chắc bạn đã đoán ra điều này). Sự cản trở dòng điện của điện trở được gọi là Trở kháng và mỗi trở kháng đều được đặc trưng bởi giá trị trở kháng của nó tính bằng Ohm.
CẤU TẠO CỦA ĐIỆN TRỞ:
Để hiểu về điện trở, hãy coi nó như một dây dẫn đơn giản, thay vì cho phép dòng điện tử chảy tự do qua nó, các điện trở tạo ra trở kháng và cố gắng làm chậm dòng điện hay còn gọi là dòng điện. Điện trở thường được làm từ các vật liệu như carbon, kim loại hoặc màng oxit kim loại. Tính chất trở kháng của điện trở phụ thuộc vào loại và lượng hỗn hợp hoặc vật liệu cấu tạo nên điện trở. Trong sơ đồ trên, bạn có thể thấy hỗn hợp carbon ở giữa hai đầu dẫn của điện trở và nó tạo ra trở kháng cho dòng điện.
ĐẶC TÍNH V-I CỦA ĐIỆN TRỞ:
Để hiểu về hoạt động của điện trở, hãy quan sát đặc tính V-I (điện áp-dòng điện) của nó trong chốc lát. Đồ thị đặc tính V-I thường thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện cho một thành phần cụ thể. Đặc tính V-I của điện trở khá tuyến tính. Bạn có thể quan sát khi dòng điện chảy qua điện trở tăng, điện áp trên điện trở cũng tăng theo. Mặc dù các điện trở khác nhau với trở kháng khác nhau sẽ cho điện áp khác nhau khi cùng một cường độ dòng điện đi qua. Đơn giản hóa, chúng ta có thể nói rằng điện áp trên điện trở tỉ lệ thuận với dòng điện chảy qua nó. Đúng vậy, điện trở tuân theo định luật Ohm vì mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chúng có tính chất tuyến tính. Hãy nhớ rằng định luật Ohm nói rằng “Dòng điện qua một vật dẫn tỉ lệ thuận với điện áp trên nó”. Điều này dẫn đến công thức phổ biến V = IR
ĐIỆN TRỞ NỐI TIẾP VÀ SONG SONG:
Việc sử dụng nhiều hơn một điện trở có hai dạng: Nối tiếp và Song song. Sơ đồ trên cho thấy cách nối các điện trở theo cấu hình nối tiếp và song song. Điều quan trọng cần nhớ là khi các điện trở được nối tiếp, trở kháng sẽ cộng lại với nhau. Trong khi đó, khi các điện trở được nối song song, trở kháng tương đương tổng thể sẽ giảm.
Trở kháng tương đương của các điện trở nối tiếp R1 và R2 sẽ là Req = 10k + 10k = 20k
Trở kháng tương đương của các điện trở song song R1 và R2 sẽ là 1/ Req = ( 1 / 10k + 1 / 10k ) = 5K
Một mẹo để giải nhanh trở kháng song song: Khi các điện trở song song được sử dụng trong mạch có cùng giá trị, hãy chia giá trị điện trở cho số lượng điện trở nối song song. Ví dụ, nếu 3 điện trở 10K được nối song song, 10k / 3 sẽ cho ra 3,33k, đó là trở kháng tương đương.
ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TRỞ:
Bây giờ chúng ta đã đến phần thú vị nhất của hướng dẫn này. Đến thời điểm này, bạn nên hiểu khá rõ điện trở là gì và nó hoạt động như thế nào. Hãy xem xét các ứng dụng của nó và cách nó được sử dụng trong mạch. Điện trở được sử dụng:
- Như bộ chia điện áp để cấp điện áp tham chiếu
- Giới hạn dòng điện để ngăn hư hỏng các thành phần
- Để cung cấp phản hồi
- Như bộ lọc cho tín hiệu đầu vào
- Mạch định thời để tạo ra thời gian trễ
- Điện trở kéo lên và kéo xuống để cố định mức logic trong mạch kỹ thuật số.
- Điện trở tải
BỘ CHIA ĐIỆN ÁP:
Bộ chia điện áp là một cấu hình khá nổi tiếng sử dụng điện trở và được sử dụng rộng rãi trong các mạch. Nhiệm vụ chính của bộ chia điện áp là chia điện áp đầu vào thành một phần nhỏ làm đầu ra. Điều này đặc biệt rất hữu ích để tạo điện áp tham chiếu trong mạch của chúng ta. Điện áp tham chiếu thường được sử dụng trong các mạch so sánh, mạch cảm biến, mạch kích hoạt, v.v. Hãy xem xét một mạch ví dụ, trong đó cấu hình bộ chia điện áp được sử dụng để tạo ra điện áp tham chiếu.
Như bạn có thể thấy trong sơ đồ mạch trên. Điện áp đầu vào từ Vcc là khoảng +9v đến bộ chia điện áp và điện áp đầu ra là 3v. Những gì xảy ra ở đây là điện trở R1 làm giảm 6v và R2 làm giảm 3v, tổng cộng là 9v. Điện áp đầu ra của bộ chia điện áp được điều chỉnh bởi phương trình
Vout = Vin x R2 / (R1 + R2) .
Vout = 9V x 5K / ( 10K + 5K )
= 3V
Như đã nói, bộ chia điện áp được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để tạo ra điện áp tham chiếu, chuyển đổi mức tín hiệu, v.v. Nhưng luôn nhớ rằng bộ chia điện áp không nên được sử dụng làm nguồn điện áp để cung cấp năng lượng cho mạch. Nếu bạn cố gắng làm như vậy, điện áp từ bộ chia sẽ giảm đáng kể. Điều này xảy ra vì bộ chia điện áp không thể cung cấp đủ dòng điện để đáp ứng nhu cầu của mạch, do đó nó làm giảm điện áp khi nhiều dòng điện hơn được lấy từ nó.
Một vài điều khác cần nhớ về bộ chia điện áp là khi R1 và R2 bằng nhau thì điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa điện áp đầu vào. Nếu R1 lớn hơn nhiều so với R2 (R1>>R2) thì điện áp đầu ra sẽ gần bằng hoặc gần như bằng không. Khi R1 nhỏ hơn nhiều so với R2 (R1<<R2), điện áp đầu ra kết quả sẽ gần bằng hoặc gần như bằng điện áp đầu vào. Những điều này sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian khi phân tích mạch.
ĐIỆN TRỞ GIỚI HẠN DÒNG:
Đây là một ứng dụng quan trọng khác của điện trở. Như tên gọi của nó, nó giới hạn dòng điện chảy qua mạch. Lý do tại sao chúng ta làm điều này là vì có một số trường hợp mà chúng ta cần chỉ cho phép một lượng dòng điện nhất định chảy qua, nếu không mạch/thành phần có thể bị hư hỏng. Điện trở giới hạn dòng thường được sử dụng cho LED, động cơ, sạc pin, rơle, v.v.
Ở đây, trong mạch trên, điện trở giới hạn dòng cho LED được hiển thị. Hãy đi vào phần tính toán của điện trở giới hạn trên. Mạch được cấp nguồn bởi pin 9v, tuy nhiên LED mà chúng ta có ở đây có điện áp thuận 2,2v và chỉ tiêu thụ 20mA để hoạt động. Vì vậy, chúng ta cần giới hạn dòng điện từ pin 9v xuống còn 20mA bằng điện trở.
R = V – Vled / Iled
= 9 – 2.2 / 20mA
6.8 / 20mA
= 340 ohm
và chúng ta chọn giá trị gần nhất là 330 Ohm làm R1. Điện trở 330 ohm này giới hạn dòng điện còn 20mA cho LED và bảo vệ nó khỏi bị hư hỏng do dòng điện. Công thức trên áp dụng khi bạn cần giới hạn dòng cho động cơ, rơle, pin và các loại tương tự.
ĐIỆN TRỞ NHƯ CÁC PHẦN TỬ PHẢN HỒI:
Phản hồi là một khái niệm được sử dụng trong Bộ khuếch đại Hoạt động, thường được gọi là Op Amp. Để hiểu nhu cầu của điện trở như một phần tử phản hồi, chúng ta cần hiểu cách hoạt động của Op Amp. Tôi sẽ không đi sâu vào Op Amp ở đây mà chỉ đề cập một chút. Nói đơn giản, Op Amp là một thiết bị khuếch đại, khuếch đại sự chênh lệch giữa hai đầu vào của nó (đầu vào không đảo và đầu vào đảo). Op Amp này có độ khuếch đại vô hạn, có nghĩa là nó có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào vô hạn. Mặc dù điều này không thực tế nhưng độ khuếch đại của Op Amp rất cao đến mức khi bạn đưa một tín hiệu đầu vào, đầu ra sẽ dao động đến điện áp bão hòa đỉnh của nó. Chúng ta không muốn điều đó trong một bộ khuếch đại vì chúng ta cần một bản sao được khuếch đại của tín hiệu đầu vào và đó là lý do tại sao chúng ta sử dụng bộ khuếch đại.
Nếu chúng ta cần lấy một tín hiệu được khuếch đại từ Op Amp, chúng ta cần điều khiển độ khuếch đại của nó. Vì mục đích đó, một phần đầu ra được đưa trở lại đầu vào đảo của Op Amp, biến nó thành một hệ thống phản hồi âm. Trong mạch trên, R1 là điện trở phản hồi. Nó đưa một phần đầu ra trở lại đầu vào đảo của Op Amp. Phản hồi âm ảnh hưởng đến độ khuếch đại của Op Amp và giữ cho khuếch đại được kiểm soát. Nhờ đó, chúng ta sẽ có được tín hiệu được khuếch đại mà vẫn có thể sử dụng cho mục đích của mình. Vì vậy, nói ngắn gọn, phản hồi là một cơ chế hiệu chỉnh trong mạch để mạch hoạt động ổn định và cân bằng.
Đối với hệ thống phản hồi dương, một phần đầu ra được đưa trở lại đầu vào không đảo của Op Amp. Loại phản hồi này được sử dụng để tăng độ khuếch đại. Phản hồi dương không được sử dụng rộng rãi như cấu hình phản hồi âm.
BỘ LỌC:
Điện trở cũng được sử dụng để lọc các tín hiệu đầu vào khi được sử dụng với tụ điện. Bộ lọc được sử dụng rộng rãi trong nhiều mạch điện tử, nơi nó sẽ cho phép tín hiệu có tần số nhất định và suy giảm các tần số không mong muốn. Có hai dạng bộ lọc: thụ động và chủ động. Điện trở tạo thành một phần không thể thiếu của các bộ lọc thụ động cùng với tụ điện và cuộn cảm. Có ba loại bộ lọc quan trọng có thể được chế tạo bằng các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm: Bộ lọc thông thấp, Bộ lọc thông cao và Bộ lọc thông dải.
BỘ LỌC THÔNG THẤP:
Mạch trên thể hiện một bộ lọc thông thấp đơn giản được thiết kế bằng điện trở và tụ điện. Bộ lọc thông thấp chỉ cho phép các tín hiệu tần số thấp, là các tín hiệu có tần số thấp hơn tần số cắt, đi qua và chặn các thành phần tần số cao trong tín hiệu đầu vào. Những gì xảy ra ở đây là ở tần số thấp, tụ điện thể hiện phản kháng cao so với điện trở R. Điện áp trên tụ điện tại thời điểm này rất cao so với điện áp trên điện trở. Do đó, nó cho phép an toàn các tín hiệu tần số thấp đi qua. Ở tần số cao, phản kháng của tụ điện trở nên thấp và do đó điện áp rơi trên điện trở trở nên cao, dẫn đến suy giảm tín hiệu đầu vào.
BỘ LỌC THÔNG CAO:
Mạch trên thể hiện một bộ lọc thông cao, suy giảm tín hiệu tần số thấp dưới điểm cắt và chỉ cho phép các tín hiệu tần số cao đi qua. Những gì xảy ra ở đây là khi tần số tín hiệu đầu vào rất thấp, tụ điện thể hiện phản kháng cao, do đó hoạt động như một mạch hở dẫn đến suy giảm. Khi tần số đầu vào cao hơn tần số cắt, tụ điện thể hiện phản kháng thấp, do đó cho phép tín hiệu đi qua.
BỘ LỌC THÔNG DẢI:
Bộ lọc thông dải là sự kết hợp của cả bộ lọc thông cao và thông thấp. Không giống như các bộ lọc trên, bộ lọc thông dải có hai tần số cắt. Do đó, bộ lọc này chỉ cho phép tín hiệu trong một dải tần số cụ thể. Tín hiệu có tần số nằm ngoài dải này sẽ bị suy giảm.
Trong tất cả các trường hợp trên, tần số cắt rất quan trọng vì nó quyết định tần số mà tín hiệu sẽ được cho phép đi qua hoặc bị suy giảm. Thiết kế bộ lọc là một khái niệm khá lớn để giải thích trong bài viết này, tôi sẽ viết một hướng dẫn riêng cho nó sớm. Trong phạm vi của bài viết này, điều quan trọng là hiểu vai trò của điện trở trong Bộ lọc.
MẠCH ĐỊNH THỜI:
Sử dụng điện trở trong mạch định thời là một ứng dụng khá phổ biến. Các phần tử định thời thường được gọi là mạch RC, trong đó điện trở và tụ điện hoạt động cùng nhau để tạo ra một khoảng thời gian trễ nhất định dựa trên các giá trị thành phần.
Mạch trên là một mạch RC chỉ sử dụng điện trở và tụ điện để tạo ra thời gian trễ cần thiết. Thời gian này được chi phối bởi công thức T = RC, trong đó T được gọi là hằng số thời gian. Vì vậy, áp dụng các giá trị trên vào công thức này sẽ tạo ra thời gian trễ 1 giây bằng mạch này. Nhưng không chỉ có vậy với mạch này, để hiểu đầy đủ về mạch RC, bạn cần hiểu cách hoạt động của tụ điện, đặc biệt là đường cong sạc của nó. Tôi sẽ không thảo luận chi tiết về hoạt động của tụ điện ở đây nhưng sẽ đề cập một chút để hiểu rõ hơn về mạch định thời này và vai trò của điện trở trong đó.
Khi điện áp được áp dụng qua tụ điện, dòng điện chảy qua nó và tụ điện dần dần bắt đầu sạc. Điều này làm tăng điện áp trên các cực của nó. Điện áp trên tụ điện tăng dần dần chứ không tức thời và điều này tạo ra thời gian trễ. Khi tụ điện đạt đến điện áp cấp hoặc Vcc, nó ngừng sạc và không cho phép dòng điện đi qua. Ở trạng thái này, tụ điện được coi là đã được sạc đầy. Thời gian từ trạng thái không sạc đến trạng thái sạc đầy tạo ra thời gian trễ và điều này được minh họa bằng đường cong sạc tụ điện như trong sơ đồ dưới đây.
ĐƯỜNG CONG SẠC:
Nếu bạn quan sát đường cong sạc trên, chúng ta có thể suy ra rằng cần 5 hằng số thời gian hoặc 5T để đạt được sạc 100%, đó là điện áp cấp. Như chúng ta đã thấy trước đó, một hằng số thời gian T = R x C chỉ cho một khoảng thời gian tương đương với 63% tổng điện tích của tụ điện. Vì vậy, để tính thời gian cần thiết để tụ điện sạc đầy được tính bằng công thức T = 5 x R x C hoặc 5T. Chức năng chính của điện trở trong mạch RC hoặc mạch định thời là điều khiển dòng điện chạy vào tụ điện. Điều này sẽ ảnh hưởng đến thời gian trễ được tạo ra.
Vì vậy, quay lại mạch trên, cần 1 giây hoặc 1T để sạc tụ điện lên đến 63% của Vcc (9V). Và cần 5 giây hoặc 5T để tụ điện đạt đến điện áp cấp là 9v. Do đó, mạch RC đơn giản này có khả năng tạo ra thời gian trễ 5 giây. Phần tử RC này được sử dụng cùng với các mạch khác theo cách mà điện áp trên tụ điện được theo dõi như đầu vào và thời gian trễ mong muốn đạt được.
ĐIỆN TRỞ KÉO LÊN VÀ KÉO XUỐNG:
Điện trở kéo lên và kéo xuống là thứ mà bạn sẽ tìm thấy trong hầu hết các mạch kỹ thuật số. Tất cả chúng ta đều biết các mạch kỹ thuật số hoạt động theo nghĩa của các mức logic. Hãy xem xét logic TTL để giải thích điều này tốt hơn. Trong các thiết bị logic TTL 5v, để đạt được logic 0, điện áp đầu vào phải nằm trong khoảng 0 đến 0,8v, trong khi đối với logic 1, điện áp đầu vào phải nằm trong khoảng 2 đến 5v. Vấn đề là các chân đầu vào kỹ thuật số rất dễ bị nhiễu điện từ từ môi trường xung quanh. Nhiễu điện từ này cảm ứng điện áp trên các chân đầu vào này, dẫn đến việc IC đọc mức điện áp không chính xác.
Để tránh tình trạng trên, chúng ta sử dụng điện trở theo hai cách: Kéo lên và Kéo xuống. Điện trở kéo lên kéo mức điện áp của chân đầu vào lên mức Vcc. Điện trở kéo xuống kéo mức điện áp của các chân đầu vào xuống 0v. Sử dụng cách này, chúng ta có thể chắc chắn rằng chân đầu vào kỹ thuật số của chúng ta luôn ở trạng thái có thể dự đoán được.
ĐIỆN TRỞ TẢI:
Trong điện tử, tải được ám chỉ thiết bị hoặc thành phần hút dòng từ mạch và được kết nối với đầu ra của nó. Vì vậy, điện trở tải là một điện trở được kết nối ở tầng đầu ra của một mạch để hút dòng từ mạch. Thuật ngữ điện trở tải thường được sử dụng trong mô hình hóa toán học của một mạch. Ở đây, bất kỳ thiết bị nào cũng có thể được sử dụng với mạch để hút dòng từ đầu ra của nó. Trong những trường hợp như vậy, một điện trở có giá trị cụ thể được chọn làm điện trở tải để mô phỏng dòng điện hút tương đương với thiết bị dự định sử dụng ở đầu ra. Nói đơn giản, điện trở tải được sử dụng để thực hiện các tính toán toán học và phân tích mạch về khả năng xử lý dòng hút của nó dưới tải.
Với những gì đã nói về điện trở tải, có những trường hợp mà điện trở tải sẽ là một phần của mạch thực tế chứ không chỉ được sử dụng cho mô hình hóa toán học. Có những bộ điều chỉnh điện áp mà cần phải sử dụng điện trở tải. Trong mạch trên, điện trở R1 được sử dụng làm điện trở tải. Nó hút dòng tối thiểu để giữ cho hoạt động của bộ điều chỉnh ổn định. Và trong các bộ khuếch đại transistor, điện trở tải sẽ thường được sử dụng để ngăn dòng chạy thừa giữa cực thu và cực phát, từ đó ngăn transistor bị hư hỏng. Vì vậy, tóm lại, điện trở tải được sử dụng cho mô hình hóa toán học. Nhưng có những trường hợp nó được sử dụng trong các mạch thực tế.
ĐỊNH MỨC CÔNG SUẤT CỦA ĐIỆN TRỞ:
Đây là một tiêu chí quan trọng của điện trở mà chúng ta nên biết. Điện trở cản trở dòng điện ở một điện áp nhất định, khi điều này xảy ra, điện trở nóng lên do công suất tiêu tán. Định mức công suất không gì khác hơn là lượng công suất mà một điện trở có thể tiêu tán an toàn. Khi công suất tiêu tán vượt quá định mức công suất của điện trở, nó có khả năng bị phá hủy hoặc bốc khói. Mỗi điện trở đều có định mức công suất riêng. Linh kiện thông qua lỗ thường có định mức là 0,25w và cao hơn.
Công suất tiêu tán trong điện trở có thể được tính bằng công thức P = I2R hoặc P = V2 / R. Xét trường hợp bạn đang điều khiển một LED 2,2v bằng 12v với điện trở 330 ohm nối tiếp. Trong trường hợp này, công suất tiêu tán trong điện trở sẽ là
VRes = 12 – 2.2 = 9.8v
P = 9.82 / 330 = 0.29 Watt
Trong trường hợp này, bạn phải sử dụng điện trở 0,5 Watt để hoạt động an toàn trong mạch.
