Chuyên đề Vật lí 11 Bài 8 (Kết nối tri thức): Bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra

Giải Chuyên đề Vật lí 11 Bài 8: Bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra

Khởi động trang 49 Chuyên đề Vật Lí 11: Chiếc loa của bộ tăng âm hay tai nghe của máy nghe nhạc là những vật dụng rất quen thuộc với chúng ta trong cuộc sống thường ngày. Từ người nghệ sĩ biểu diễn trên sân khấu đến các phát thanh viên, những diễn giả... đều cần đến những thiết bị này để truyền tải tiếng đàn, tiếng hát hay giọng nói của họ đến người nghe. Vậy, thiết bị nào đã làm cho chiếc loa hay cặp tai nghe phát ra âm thanh?

Lời giải:

Nhờ có bộ khuếch đại mà chiếc loa hay cặp tai nghe phát ra âm thanh.

I. Bộ khuếch đại và bộ khuếch đại thuật toán

Câu hỏi 1 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 11: Thế nào là bộ khuếch đại, bộ khuếch đại thuật toán? Hãy nêu một số ví dụ ứng dụng bộ khuếch đại thuật toán trong cuộc sống mà em biết.

Lời giải:

- Bộ khuếch đại là thiết bị để làm tăng cường tín hiệu lên nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo cho tín hiệu đầu ra không bị méo.

- Bộ khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại tuỳ chỉnh, thực hiện được nhiều chế độ khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn.

Nhờ có tính đa dạng và linh hoạt, bộ khuếch đại thuật toán được xem như là bộ khuếch đại có nhiều ứng dụng nhất. Bộ khuếch đại thuật toán thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ các cảm biến trước khi đưa tới tầng khuếch đại tiếp theo. Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong các máy tính và nhiều loại thiết bị tự động hoá khác.

Câu hỏi 2 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 11: Bộ khuếch đại thuật toán có ưu điểm gì?

Lời giải:

- Bộ khuếch đại thuật toán có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.

- Bộ khuếch đại thuật toán cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng ở lối vào và dòng điện lối ra không bị suy giảm do tiêu hao năng lượng trong mạch khuếch đại khi nó được nối với tải.

- Bộ khuếch đại thuật toán hầu như hoạt động được ở rất nhiều tần số khác nhau.

- Bộ khuếch đại thuật toán ít bị nhiễu trong quá trình khuếch đại.

III. Thiết bị đầu ra

Câu hỏi 1 trang 51 Chuyên đề Vật Lí 11: Relay điện từ là gì? Relay điện từ khác với công tắc điện thông thường thế nào? Tại sao lại cần nguồn điều khiển cho relay điện từ?

Lời giải:

Relay điện từ là một công tắc đóng, ngắt hoặc chuyển mạch tải điện bằng lực từ.

Relay điện từ khác với công tắc điện thông thường là nó đóng ngắt mạch điện bằng lực từ, khi có dòng điện điều khiển chạy qua, lực từ sinh ra làm cho relay hoạt động và nó sẽ đóng, ngắt mạch điện. Đối với công tắc điện thông thường thì để đóng, ngắt mạch điện thì con người phải tác dụng lực lên công tắc.

Relay điện từ cần nguồn điều khiển vì tạo ra dòng điện để sinh ra lực từ, lực từ sẽ tác động lên relay để relay hoạt động.

Câu hỏi 2 trang 51 Chuyên đề Vật Lí 11: Dòng điều khiển và dòng qua mạch tải điện được chạy trong bộ phận nào của relay điện từ?

Lời giải:

Dòng điều khiển chạy qua nam châm điện, để tạo ra lực từ, tác dụng lên miếng sắt non.

Dòng qua mạch tải điện chạy qua tiếp điểm và thanh đồng đàn hồi.

Câu hỏi trang 51 Chuyên đề Vật Lí 11: Relay trong Hình 8.5 sẽ hoạt động thế nào nếu nối trực tiếp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán với chân điều khiển của relay mà không qua diode?

Lời giải:

Nếu đấu nối trực tiếp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán với chân điều khiển của relay mà không qua diode thì sẽ không có điện áp âm hoặc dương, khi đó không điều khiển được trạng thái đóng, ngắt của relay. Relay chỉ có thể ở một trong hai trạng thái luôn đóng mạch hoặc luôn ngắt mạch mà không ở chế độ điều khiển tự động được.

Khi có điện áp dương đi ra khỏi mạch khuếch đại thì có dòng điện chạy qua relay, lúc này relay sẽ đóng, còn khi điện áp âm thì không có dòng điện chạy qua relay, relay sẽ ở trạng thái ngắt mạch.

Câu hỏi 1 trang 52 Chuyên đề Vật Lí 11: Trong sơ đồ Hình 88, để đèn LED sáng thì điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán phải dương hay âm so với đất?

Lời giải:

Để đèn LED sáng thì điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán phải dương so với đất.

Câu hỏi 2 trang 52 Chuyên đề Vật Lí 11: Tại sao phải mắc điện trở nối tiếp với đèn LED ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán?

Lời giải:

Mắc điện trở nối tiếp với đèn LED ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán để đảm bảo dòng điện qua đèn LED không quá lớn, giúp cho đèn và mạch khuếch đại không bị hỏng.

Hoạt động trang 53 Chuyên đề Vật Lí 11: Thực hiện dự án tìm hiểu về bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra theo các bước sau:

Bước 1: Xác định nhiệm vụ: Tìm hiểu về tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đầu ra là mạch op-amp-relays, mạch op-amp-LEDs và mạch op-amp-CMs.

Bước 2: Xác định hình thức báo cáo kết quả tìm hiểu được về bộ khuếch đại thuật toán và nguyên tắc hoạt động của 3 thiết bị đầu ra trên.

Bước 3: Xây dựng kế hoạch và thời gian thực hiện việc tìm hiểu về bộ khuếch đại thuật toán và nguyên tắc hoạt động của 3 thiết bị trên.

Bước 4: Thống nhất tiêu chí đánh giá dự án đảm bảo nêu được tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán (op-amp) lí tưởng và nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp-relays, LEDs, CMs.

Bước 5: Thực hiện theo kế hoạch đã đề ra để hoàn thành sản phẩm như dự kiến.

Bước 6: Báo cáo và đánh giá dự án đã thực hiện.

Lời giải:

Các em có thể tham khảo đặc điểm của các mạch op-amp-relays, mạch op-amp-LEDs và mạch op-amp-CMs.

1. Mạch op-amp-relay

Relay là công tắc được kích hoạt bằng điện, được sử dụng để đóng hoặc ngắt dòng điện trong một mạch điện. Hình 9.1 mô tả một loại relay thông dụng là relay điện từ: Khi đặt vào hai tiếp điểm 6 và 7 một hiệu điện thế thì trong cuộn dây 1 có dòng điện. Khi này, cuộn dây 1 trở thành một nam châm điện tác dụng lực từ lên thanh sắt chuyển động 2 làm ngắt 3 – 5, đóng 3 – 4. Các tiếp điểm 3 và 4 khi được kết nối sẽ đóng mạch điện thứ hai.

Mạch op-amp – relay với chức năng đóng ngắt mạch có sơ đồ khối như Hình 9.2: Khi giá trị của một đại lượng vật lí ghi nhận bởi cảm biến thay đổi thì mạch op-amp hoạt động, hiệu điện thế giữa đầu ra của op-amp và đất được đặt vào hai tiếp điểm cấp nguồn relay (lúc này có giá trị khác không) nên làm relay hoạt động đóng mạch điện thứ hai. Muốn relay chỉ đóng mạch khi hiệu điện thế đầu ra có giá trị dương thì mắc thêm một diode giữa op-amp và relay như Hình 9.3.

2. Mạch op-amp-LED

LED (light-emitting diode) là một linh kiện điện tử, có đặc điểm là phát ra ánh sáng khi hai cực của nó được nối với nguồn điện một chiều có hiệu điện thế từ 2 – 4 V (Hình 9.5a). Trong mạch điện, LED được kí hiệu như Hình 9.5b.

Các LED công suất nhỏ chỉ cần dòng điện có cường độ khoảng vài chục miliampe để hoạt động bình thường nên dòng điện từ đầu ra của op-amp có thể đáp ứng yêu cầu này. Mạch op-amp – LED với chức năng báo hiệu có sơ đồ khối như Hình 9.6: Khi giá trị của đại lượng vật lí ta đang quan tâm thay đổi thì cảm biến sẽ ghi nhận, mạch op-amp hoạt động và đèn LED trong Hình 9.7 sẽ sáng lên nếu hiệu điện thế đầu ra U_ra của op-amp so với đất có giá trị dương phù hợp. Giá trị của điện trở bảo vệ R được xác định dựa trên giá trị của U_ra và giá trị định mức của LED được sử dụng.

3. Mạch op-amp-CM

Hiệu điện thế đầu ra của op-amp có thể được sử dụng để đo một số đại lượng vật lí như nhiệt độ, cường độ ánh sáng

Mạch op-amp - CM với chức năng đo các đại lượng vật lí thông qua hiệu điện thế U_ra giữa đầu ra của op-amp và đất có sơ đồ khối như Hình 9.9: Khi giá trị của đại lượng vật lí cần đo thay đổi và được cảm biến ghi nhận, mạch op-amp hoạt động, giá trị của U_ra ghi bởi vôn kế cũng thay đổi theo. Để chuyển số chỉ của vôn kế thành số chỉ của đại lượng cần đo một cách chính xác nhất, ta cần thực hiện quá trình hiệu chuẩn. Ví dụ: Nếu trong Hình 9.9 là cảm biến đo nhiệt độ thì để hiệu chuẩn ta cần thêm một nhiệt kế để xác định giá trị nhiệt độ t (°C) mà cảm biến đang ghi nhận tương ứng với số chỉ U (V) của vôn kế. Từ các cặp số liệu (t, U) thu nhận được trong phạm vi đo của vôn kế, ta vẽ được một đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa U và t gọi là đường cong hiệu chuẩn (Hình 9.10). Từ đường cong này, với mỗi giá trị của U ta sẽ tìm được nhiệt độ t tương ứng.

Nếu sử dụng vôn kế chỉ thị kim, ta có thể xác định trực tiếp giá trị của nhiệt độ khi hiệu chuẩn như sau: Ghi giá trị nhiệt độ đo được bằng nhiệt kế chuẩn trên mặt vôn kế tại vị trí kim dừng, thực hiện với nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra nhiều vạch chỉ thị nhiệt độ trên toàn thang đo của vôn kế.

Câu hỏi 1 trang 53 Chuyên đề Vật Lí 11: Bộ khuếch đại thuật toán có vai trò gì trong việc hiệu chuẩn thiết bị đo?

Lời giải:

Bộ khuếch đại thuật toán thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến khi khảo sát một đại lượng nào đó. Thay vì phải đọc giá trị trên điện áp rồi quy đổi thành đại lượng cần khảo sát, ta sẽ sử dụng bộ hiển thị để hiện thị trực tiếp các giá trị cần đo trên đó.

Câu hỏi 2 trang 53 Chuyên đề Vật Lí 11: Tại sao khi sử dụng vôn kế làm thiết bị hiển thị giá trị đo của đại lượng vật lí chúng ta phải chia lại thang đo và đơn vị đo?

Lời giải:

Nếu sử dụng vôn kế chỉ thị kim, ta có thể xác định trực tiếp giá trị của nhiệt độ khi hiệu chuẩn như sau: Ghi giá trị nhiệt độ đo được bằng nhiệt kế chuẩn trên mặt vôn kế tại vị trí kim dừng, thực hiện với nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra nhiều vạch chỉ thị nhiệt độ trên toàn thang đo của vôn kế.

Xem thêm lời giải bài tập Chuyên đề Vật lí lớp 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 3: Thế hấp dẫn và thế năng hấp dẫn

Bài 4: Biến điệu

Bài 5: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Bài 6: Suy giảm tín hiệu

Bài 7: Cảm biến