1.1 Khái niệm về điện trở – Giáo trình điện tử cơ bản

Giáo trình điện tử cơ bản : Điện trở là linh kiện không thể thiếu trong các bo mạch điện tử. Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. Giá trị của nó được tính bằng đơn vị ohms (Ω).

Ký hiệu của nó như sau

Kí hiệu điện trở

Ký tự K hay M chỉ ra rằng giá trị của điện trở đó cỡ hàng nghìn ohms hay là triệu ohms. Ở một số khu vực như Châu Âu hay Mỹ thì thỉnh thoảng họ vẫn thay thế cho một dấu thập phân. Ví dụ như điện trở 4.7K thì xác định là 4K7 hay 3.3M thì cũng như 3M3.

Điện trở thường được dùng với mục đích như là giảm tốc độ nạp của tụ, cung cấp dòng điện điều khiển thích hợp cho transistor BJT, bảo vệ LED hoặc các chân bán dẫn khác từ việc quá dòng; điều chỉnh hoặc hạn chế đáp ứng tần số trong mạch âm thanh (kết hợp với các thành phần khác); kéo lên hoặc kéo xuống điện áp tại các chân đầu vào của chip, hoặc điều khiển một điện áp tại một điểm trong mạch, hoặc tạo cầu phân áp.

1.2    Nguyên lý hoạt động của điện trở

Trong quá trình cản trở dòng điện và giảm điện áp, một điện trở sẽ tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt.

Nếu R là đại lượng tính bằng ohms, I là dòng điện chạy qua điện trở tính bằng Ampe, và V là điện áp rơi trên điện trở đó thì theo định luật ohms:

V=I*R

Đây là cách khác để nói rằng điện trở 1Ω cho phép dòng điện 1A chạy qua nó thì điện áp rơi giữa hai đầu điện trở là 1V.

Nếu W là công suất mà điện trở tiêu tán trong mạch điện một chiều sẽ được tính bằng công thức:

1.3   Phân loại điện trở – Giáo trình điện tử cơ bản

1.3.1    Phân loại dựa vào tính chất điện của điện trở

• Điện trở tuyến tính: là điện trở có trở kháng không đổi khi gia tăng sự chênh lệch điện áp trên nó.
• Điện trở phi tuyến tính: là điện trở thay đổi khi có dòng điện đi qua, cụ thể nó sẽ tỷ lệ thuận với sự chênh lệch điện áp trên nó.

1.3.2    Phân loại theo giá trị của điện trở

• Điện trở có giá trị cố định: là điện trở đã được cố định giá trị điện trở suất trong khi sản xuất và không thể thay đổi trong quá trình sử dụng.

Điện trở thanh 10kΩ

• Biến trở hoặc chiết áp: là điện trở có giá trị điện trở suất có thể thay đổi trong quá trình sử dụng.

Biến trở 1kΩ

1.3.3    Phân loại theo chức năng của điện trở

• Điện trở chính xác: là điện trở có sai số rất thấp và nó rất chính xác (gần với giá trị định danh của nó).

Điện trở chính xác

• Điện trở nóng chảy: là một điện trở dây quấn được thiết kế dễ nóng chảy khi điện trở vượt mức cho phép. Lúc này, điện trở nóng chảy vừa là điện trở vừa là cầu chì. Khi công suất không bị vượt quá nó hoạt động như một điện trở. Và khi công suất vượt quá mức cho phép nó có chức năng như một cầu chì, nó nóng chảy và làm hở mạch để bảo vệ các thành phần khác trong mạch không bị dòng điện quá mức chạy qua.

Điện trở nóng chảy

• Điện trở nhiệt: Là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Do hiệu ứng tự làm nóng của dòng điện trong một điện trở nhiệt, các thiết bị tự thay đổi trở kháng với những thay đổi của dòng điện. Có 2 loại nhiệt trở: Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm và nhiệt trở có hệ số nhiệt dương.

Điện trở nhiệt

• Điện trở quang: là linh kiện nhạy cảm với bức xạ điện từ quanh phổ ánh sáng nhìn thấy. Quang trở có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó. Cường độ ánh sáng càng mạnh thì giá trị điện trở càng giảm và ngược lại.

1.4    Cách đọc giá trị điện trở qua mã màu

Các điện trở công suất có kích thước lớn nên người ta thường ghi trực tiếp giá trị trên thân điện trở. Nhưng đối với các điện trở nhỏ hơn cỡ từ 1/4W trở xuống thì người ta sử dụng các vạch màu để thể hiện giá trị của điện trở. Trong thực tế điện trở sẽ được sản xuất những giá trị nhất định, với các giá trị được ký hiệu bằng mã màu.

Để tránh lẫn lộn trong khi đọc giá trị của các điện trở, đối với các điện trở có tổng số vòng màu từ 5 trở xuống thì có thể không bị nhẫm lẫn vì vị trí trống không có vòng màu sẽ được đặt về phía bên tay phải và ta sẽ đọc giá trị theo hướng từ trái qua phải phía có nhiều vạch màu liền kề nhau hơn. Còn đối với các điện trở có độ chính xác cao và có thêm số thay đổi theo nhiệt độ thì vòng màu tham số nhiệt sẽ được nhìn thấy có chiều rộng lớn hơn và phải được xếp về bên tay phải trước khi đọc giá trị.

Bảng mã vạch màu của điện trở

1.4.1    Đọc giá trị đối với điện trở 4 vạch màu

Ý nghĩa

• Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
• Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
• Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở
• Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở

Ở hình trên thì ta sẽ tính giá trị điện trở như sau:
✓ Vạch đầu tiên màu lục => giá trị hàng chục là 5.
✓ Vạch thứ hai màu lam => giá trị hàng đơn vị là 6.
✓ Vạch thứ ba màu đỏ => giá trị hệ số nhân là là 102
=> Giá trị định danh của điện trở là 56 * 10² = 5600 Ω.
✓ Vạch thứ tư màu hoàng kim => sai số của điện trở là ± 5%
Vậy nên giá trị thực tế của điện trở là : 5600 ± (5600*5%) bằng giá trị nằm trong khoảng 5320 đến 5880 Ω. Nếu vạch thứ 4 bị bỏ đi thì nó sẽ trở thành điện trở với 3 vạch màu, lúc này giá trị của nó vẫn là 5600 Ω nhưng sai số sẽ là ± 20%.

1.4.2 Đọc giá trị đối với điện trở 5 vạch màu

Ý nghĩa
• Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở
• Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở
• Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở
• Vạch màu thứ 4: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện
trở
• Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở.

Điện trở 5 mã vạch màu
Ở hình trên thì ta sẽ tính giá trị điện trở như sau:
✓ Vạch đầu tiên màu nâu => giá trị hàng trăm là 1.
✓ Vạch thứ hai màu vàng => giá trị hàng chục là 4.
✓ Vạch thứ ba màu tím => giá trị hàng đơn vị là 7.
✓ Vạch thứ tư màu đen => giá trị hệ số nhân là là 10⁰
=> Giá trị định danh của điện trở là 147 * 10⁰ = 147 Ω.
✓ Vạch thứ 5 màu lục => sai số của điện trở là ± 0.5%.
Vậy nên giá trị thực tế của điện trở là : 147 ± (147*0.5%)Ω.

1.4.3 Đọc giá trị đối với điện trở 6 vạch màu

Các điện trở 6 vạch màu luôn dùng cho các điện trở có độ chính xác cao, nó có thêm vạch màu thứ 6 để chỉ thị hệ số nhiệt độ – temperature coeficient (ppm/K). Màu sắc phổ biến cho vạch thứ sáu thường là màu nâu (100 ppm/K). Điều đó có nghĩa rằng với một nhiệt độ thay đổi 10°C giá trị của điện trở có thể thay đổi 0.1%. Nó rất quan trọng với các ứng dụng đặc biệt mà ở đó màu sắc chỉ thị hệ số nhiệt độ là then chốt và quyết định hơn các màu sắc khác.

Điện trở 6 mã vạch màu
Ở hình trên thì ta sẽ tính giá trị điện trở như sau:
✓ Vạch đầu tiên màu cam => giá trị hàng trăm là 3.
✓ Vạch thứ hai màu đỏ => giá trị hàng chục là 2.
✓ Vạch thứ ba màu nâu => giá trị hàng đơn vị là 1.
✓ Vạch thứ tư màu nâu => giá trị hệ số nhân là là 10¹
.
=> Giá trị định danh của điện trở là 321 * 10¹ = 3210 Ω = 3.21k Ω.
✓ Vạch thứ năm màu lục => sai số của điện trở là ± 0.5%
Vậy nên giá trị thực tế của điện trở là : 3210 ± (3210 *0.5%) 50ppm/K.

1.4.4 Đọc giá trị điện trở dán (SMD)

Điện trở dán (SMD) là điện trở có hình chữ nhật làm từ oxit kim loại rất nhỏ, chúng được hàn trực tiếp lên bề mặt mạch điện. Giá trị SMD điện trở được in với 3 hoặc 4 chữ số thì chữ số cuối cùng cho ta biết hệ số nhân.

Giá trị danh định của điện trở này là 47*102 = 4700 Ω = 4.7kΩ.
Những điện trở có giá trị nhỏ hơn 100Ω thì nhà sản xuất thường ký hiệu có thêm chữ R. Ví dụ như hình dưới là điện trở 4.7Ω

1.5 Các cách mắc điện trở

a) Mắc nối tiếp
Điện trở mắc nối tiếp

• Điện trở tương đương R = 𝑅1 + 𝑅2 + ⋯ + 𝑅𝑛
• Cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm: I = 𝐼1 = 𝐼2 = ⋯ = 𝐼𝑛
• Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch bằng tổng các hiệu điện thế trên mỗi trở:
U = 𝑈1 + 𝑈2 + ⋯ + 𝑈n

b) Mắc song song
Điện trở mắc song song

• Điện trở tương đương
1/R = 1/R1+1/R2+…+1/Rn
• Cường độ dòng điện : chạy qua mạch chính bằng tổng cường độ dòng điện chạy qua
các mạch rẽ: : I = 𝐼1 + 𝐼2 + ⋯ + 𝐼𝑛
• Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch song song bằng hiệu diện thế giữa hai đầu mỗi
đoạn mạch rẽ : U = 𝑈1 = 𝑈2 = ⋯ = 𝑈n

1.6  Một số ứng dụng của điện trở

1.6.1    Hạn chế dòng điện đi qua LED

Để bảo vệ LED khỏi việc quá dòng thì ta cần mắc thêm một điện trở nối tiếp để dòng diện không vượt quá dòng điện cho phép của nhà sản xuất. Trong trường hợp là LED cắm (thường dùng để báo trạng thái) thì dòng điện được giới hạn trong khoảng 20mA = 0.02A.

Giả sử nguồn cấp của chúng ta là 5Vdc, LED hoạt động ở điện áp 2V (tùy thuộc vào màu sắc của LED mà điện áp hoạt động khác nhau) thì ta tính giá trị điện trở theo công thức: R = (𝑉𝑐𝑐–𝑉𝑙𝑒𝑑)/ 𝐼 = (5−2) / 0.02 = 150 Ω. Vậy ta sẽ chọn điện trở mắc nối tiếp với LED có giá trị là 150 Ω.

1.6.2 Điện trở kéo

Khi một công tắc cơ học hoặc một nút nhấn được gắn vào đầu vào của vi điều khiển, một điện trở kéo lên (pull up) hay điện trở kéo xuống (pull down) được dùng để kéo lên dương nguồn hoặc kéo xuống đất, và ngăn trạng thái không xác định (floating).

Ở hình bên phải biểu thị là điện trở kéo xuống đất. Khi chưa nhấn nút nhấn thì chân đầu vào của chip nhận giá trị mức thấp (0), còn khi nhấn nút thì đầu vào của chip nhận giá trị mức cao (1). Ngược lại ở hình bên trái là điện trở kéo lên dương nguồn. Khi chưa nhấn nút nhấn thì chân đầu vào của chip nhận giá trị mức cao (1), còn khi nhấn nút thì đầu vào của chip nhận giá trị mức thấp (0). Giá trị điện trở thường được sử dụng là 10kΩ

1.6.3 Mạch lọc thụ động thông thấp RC

Sự kết hợp giữa điện trở và tụ điện góp phần hạn chế tần số cao trong điều khiển âm thanh. Như hình bên dưới thì một tín hiệu đi từ A tới B, điện trở được mắc nối tiếp với một tụ điện thì sẽ cho các tín hiệu tần số thấp đi qua, trong khi chặn các tín hiệu tần số cao. Tín hiệu tần số cao sẽ đi qua tụ điện, vì tụ điện cung cấp cho chúng đường dẫn có trở kháng rất thấp. Đây được gọi là bộ lọc RC thông thấp.

• Hàm truyển đạt của mạch được tính như sau:

• Từ biển thức hàm truyền đạt trên ta thấy như sau: Nếu tăng dần f từ 0 -> ∞ thì ta thấy hàm truyển đạt sẽ giảm từ 1 -> 0. Do vậy những tín hiệu có tần số cao sẽ bị suy giảm khi đi qua bộ lọc.

• Tần số cắt :

• Tại tần số cắt điện áp ra có biên độ : 

1.6.4 Mạch lọc thụ động thông cao RC – Giáo trình điện tử cơ bản

• Hàm truyển đạt của mạch được tính như sau:

Từ biển thức hàm truyền đạt trên ta thấy như sau: Nếu tăng dần f từ 0 -> ∞ thì ta thấy hàm truyển đạt sẽ tăng từ 0 -> 1. Do vậy những tín hiệu có tần số thấp sẽ bị suy giảm khi đi qua bộ lọc.

Tần số cắt 𝑓𝐶 = 1/2𝜋𝑅𝐶 là giá trị tần số mà tại đó hàm truyển đạt chuyển giá trị từ 1 về 0 hoặc ngược lại từ 0 lên 1.

Tại tần số cắt điện áp ra có biên độ 𝑉0 =𝑉in/√2

1.6.5 Cầu phân áp – Giáo trình điện tử cơ bản

Hai điện trở được dùng để tạo cầu phân áp. Ví dụ 𝑉𝑖𝑛là điện áp đầu vào, 𝑉𝑜𝑢𝑡là điện áp đầu ra mong muốn. Điện áp tại điểm A được tính theo công thức sau:

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛*[𝑅2/(𝑅1+𝑅2)]