Điện Tử Cơ Bản Cho Người Bắt đầu

Học điện tử có thể không khó như bạn nghĩ. Bài viết này nhằm mục đích làm sáng tỏ những điều cơ bản nhất trong điện tử nhằm giúp cho những ai yêu thích điện tử có thể tự mình làm ra một mạch điện tử ứng dụng cho riêng mình. Những điều được trình bày ở trong bài viết này chỉ mang tính chất giới thiệu và hướng dẫn, không nhằm mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật điện tử.

Sau khi đọc xong bài viết này, các bạn có thể đọc được một sơ đồ nguyên lý (schematic) và thi công một mạch điện tử với các linh kiện điện tử tiêu biểu.

Xem thêm bài viết: Giáo trình điện tử cơ bản

1. Điện AC và DC
2. Mạch điện
3. Điện trở
4. Nối tiếp và song song
5. Các linh kiện cơ bản
6. Điện trở (Resistor)
7. Tụ điện (Capacitor)
8. Diode
9. Transistor
10. IC (Integrated Circuit) – Mạch tích hợp
11. Biến trở
12. LED (Light Emitting Diode)
13. Công tắc (Switch)
14. Pin (Battery)
15. Testboard
16. Dây dẫn

Điện AC và DC

Như chúng ta đã biết, có 2 loại tín hiệu điện đó là điện xoay chiều (AC –Alternating Current) và điện một chiều (DC – Direct Current).

Đối với dòng điện xoay chiều, chiều của dòng điện chảy trong mạch luôn luôn đổi chiều. Tốc độ thay đổi chiều của dòng điện được đo bằng đơn vị Hz. 1Hz là số lần đảo chiều trong một giây. Vì vậy, khi người ta nói rằng nguồn điện có tần số 60 Hz, điều này có nghĩa là dòng điện đảo chiều 120 lần trong một giây (hai lần đảo chiều trong một chu kỳ).

Đối với dòng điện một chiều, dòng điện chảy trong mạch luôn theo một hướng từ cực dương đến cực âm của nguồn điện.

Điện được xác định thông qua thông số của điện áp và dòng điện. Điện áp được đo bằng đơn vị Volt (V) và đơn vị của dòng điện là Ampere (A). Chẳng hạn, một viên pin mới có điện áp 9V và dòng điện khoảng 500mA.

Điện cũng có thể được xác định thông qua điện trở và công suất. Chúng ta sẽ tìm hiểu điện trở ở phần tiếp theo, bây giờ tôi sẽ nói qua về Watt. Khi bạn nghiên cứu sâu về điện tử, bạn sẽ gặp các linh kiện có thông số Watt. Thông số này rất quan trọng, khi sử dụng linh kiện chúng ta không bao giờ vượt qua giá trị định mức này. Tuy nhiên, cũng may mắn là công suất của bộ nguồn DC có thể tính toán được một cách dễ dàng bằng cách nhân điện áp với dòng điện.

Mạch điện

Mạch điện là một con đường hoàn chỉnh và khép kín thông qua đó dòng điện có thể chảy qua. Nói cách khác một mạch điện kín sẽ cho phép các điện tích chảy giữa nguồn và mass và ngược lại, mạch điện hở thì không có dòng chảy các điện tích giữa nguồn và mass.

Điện trở

Chúng ta luôn ghi nhớ rằng điện trong một mạch phải được sử dụng. Chẳng hạn, ở mạch điện trên, dòng điện chạy qua động cơ sẽ thêm điện trở vào dòng chảy điện tích. Vì vậy, tất cả các điện tích chạy qua mạch đều được sử dụng.

Nói cách khác, cần có dây dẫn để kết nối giữa cực dương và mass, chính điều này sẽ thêm điện trở vào dòng chảy điện tích. Nếu cực dương được nối trực tiếp đến mass mà không qua một cái gì đó để thêm điện trở, giống như động cơ, điều này sẽ gây ra ngắn mạch.

Ngược lại, nếu điện tích chạy qua một linh kiện (hoặc một nhóm linh kiện) mà không thêm đủ điện trở vào mạch thì cũng có thể xảy ra ngắn mạch.

Một điều rất quan trọng để tránh xảy ra ngắn mạch đó là đảm bảo cực dương của điện áp không bao giờ nối trực tiếp với mass.

Chúng ta ghi nhớ rằng điện tích luôn chảy bên nhánh có ít điện trở nhất để xuống mass. Điều này có nghĩa là, nếu bạn cho cực dương điện áp đã chọn đi qua một động cơ xuống mass hoặc qua một dây dẫn xuống mass. Dòng điện sẽ đi qua dây dẫn và xuống mass vì dây dẫn có điện trở ít nhất. Điều này cũng có nghĩa là bằng cách sử dụng dây dẫn, để rẽ nhánh nguồn điện trở thẳng xuống mass, bạn đã tạo ra ngắn mạch. Luôn luôn đảm bảo rằng bạn không bao giở để xảy ra việc vô tình lắp ráp cực dương điện áp với mass khi lắp rắp các linh kiện song song.

Nối tiếp và song song

Có 2 cách khác nhau để bạn có thể kết nối các linh kiện với nhau đó là mắc nối tiếp và mắc song song.

Khi linh kiện được mắc nối tiếp, linh kiện này mắc nối tiếp với linh kiện khác. Khi đó dòng điện sẽ di chuyển qua linh kiện thứ nhất, sau đó qua linh kiện thứ hai, rồi linh kiện thứ 3,.v.v..

Trong ví dụ đầu tiên, động cơ, công tắc được mắc nối tiếp bởi vì chỉ có một đường duy nhất để cho dòng điện chảy từ linh kiện thứ nhất đến các linh kiện tiếp theo.

Khi các linh kiện được mắc song song, dòng điện chạy qua tất cả các linh kiện này ở cùng một thời điểm, từ một điểm chung này đến một điểm chung khác.

Ở ví dụ tiếp theo, các động cơ được mắc song song bởi vì dòng điện chạy qua cả 2 động cơ từ điểm chung này đến điểm chung khác.

Ở ví dụ cuối cùng các động cơ được mắc song song còn công tắc và pin được mắc nối tiếp. Vì vậy, dòng điện được chia ra giữa 2 động cơ theo kiểu song song nhưng vẫn phải đi theo dạng nối tiếp từ phần mạch đầu tiên đến phần mạch tiếp theo.

Các linh kiện cơ bản

Để xây dựng được các mạch điện tử, chúng ta cần phải làm quen với một vài linh kiện cơ bản. Những linh kiện này có thể rất đơn giản nhưng có mặt ở hầu hết các mạch điện tử (lớn hay nhỏ). Vì vậy, thông qua việc học nhưng linh kiện cơ bản này, bạn có thể học thêm nhiều kiến thức nữa.

Điện trở (Resistor)

Như tên gọi đã hàm ý, điện trở thêm điện trở vào mạch và làm giảm dòng điện. Nó được biểu diễn trong mạch điện bằng ký hiệu và giá trị bên cạnh.

Thông thường, giá trị của điện trở được xác định thông qua vạch màu được đánh dấu trên thân điện trở. Giá trị của điện trở được đo bằng đơn vị Ohm (Ω).

Các điện trở gắn liền với thông số Watt. Đối với hầu hết các mạch DC điện áp thấp, điện trở ¼W là phù hợp.

Bạn đọc giá trị của điện trở từ trái sang phải hướng về phía vạch vàng kim (thông thường). Hai vòng đầu cho biết giá trị của điện trở, vòng thứ 2 cho biết hệ số nhân và vòng thứ 3 (thông thường là vàng kim) cho biết dung sai hay độ chính xác của linh kiện. Bạn có thể biết giá trị của mỗi màu bằng cách xem bảng vạch màu của điện trở.

Ví dụ: Một điện trở có các vạch màu: nâu, đen, cam, vàng kim sẽ có giá trị như sau:

1 (nâu) 0 (đen) x 1. 000 (cam) = 10. 000 Ω với dung sai là +/- 5%

Bất kỳ điện trở nào trên 1000 ohm thường được rút ngắn bằng chữ K. Ví dụ, 1.000 sẽ là 1K; 3,900 ohm sẽ chuyển thành 3,9K; và 470.000 ohm sẽ trở thành 470K.

Giá trị của ohm trên một triệu được biểu diễn bằng chữ M. Trong trường hợp điện trở 1.000.000 ohm sẽ được viết là 1M.

Tụ điện (Capacitor)

Tụ điện là linh kiện có khả năng lưu trữ điện tích và sau đó xả điện vào mạch khi có sự sụt giảm điện. Bạn có thể hình dung nó giống như một bể chứa nước, bể chứa này sẽ xả nước khi hạn hán để đảm bảo dòng chảy ổn định.

Tụ điện được đo bằng đơn vị Fara (F). Giá trị mà chúng ta thấy ở hầu hết các tụ điện được đo bằng picofarad (pF), nanofarad (nF) và microfarad (uF).

Loại tụ điện phổ biến nhất thường thấy đó là tụ ceramic và tụ hóa. Tụ ceramic là loại tụ không có cực tính. Có nghĩa là điện có thể đi qua chúng bất kể chúng được đưa vào mạch điện như thế nào. Chúng thường được đánh dấu bằng mã số cần giải mã. Loại tụ điện này thường được biểu diễn trong sơ đồ nguyên lý bằng hai đường song song.

Các tụ hóa thường có cực. Điều này có nghĩa là một chân của tụ cần được kết nối bên phía mass của mạch và chân còn lại phải được kết nối với nguồn. Nếu như tụ được kết nối theo chiều ngược lại thì nó sẽ hoạt động không chính xác nữa. Tụ hóa có giá trị được viết trên thân của chúng, đơn vị thường là uF. Chúng cũng đánh dấu, chân nối với mass có ký hiệu dấu (-). Tụ này được biểu diễn trong sơ đồ mạch bằng một đường thẳng và một đường cong. Đường thẳng cho biết đầu nối với nguồn dương và đường cong nối mass.

Diode

Diode là các linh kiện được phân cực. Chúng chỉ cho phép dòng điện đi qua chúng theo một chiều. Điều này rất hữu ích vì nó có thể được đặt trong một mạch điện để ngăn dòng điện chạy sai hướng.

Một điều khác cần ghi nhớ đó là nó cần năng lượng để đi qua một diode và điều này dẫn đến sự sụt điện thế. Thường mất khoảng 0,7V. Điều này rất quan trọng để ghi nhớ về sau khi chúng ta tìm hiểu về một loại diode đặc biệt gọi là LED.

Vạch màu trắng ở một đầu của diode cho biết phía diode kết nối với mass. Đây là cực Cathode. Đầu còn lại sẽ kết nối với nguồn. Cực này là cực Anode.

Số hiệu của diode thường được ghi trên thân, và bạn có thể tìm ra các đặc tính điện khác nhau của diode bằng cách tra datasheet của nó.

Diode được biểu diễn trong mạch bằng một đường thẳng với một tam giác trỏ vào đường thẳng này. Đường thẳng là phía kết nối với mass và đáy của tam giác kết nối với nguồn.

Transistor

Một transistor lấy một dòng điện nhỏ ở chân B và khuếch đại nó để có một dòng điện lớn hơn có thể đi qua giữa chân C và chân E. Độ lớn của dòng điện đi qua giữa 2 chân này tỷ lệ thuận với điện áp đưa vào chân B.

Có 2 loại transistor cơ bản đó là NPN và PNP. Những transistor này có cực tính trái ngược nhau giữa cực C và cực E. 

Transistor NPN cho phép dòng điện đi qua từ chân C đến chân E. Chiều dòng điện chạy qua transistor PNP từ chân E sang chân C.

Số hiệu của transistor được in trên thân. Bạn có thể tìm kiếm datasheet của transistor trên mạng để biết được sơ đồ chân và các đặc tính của từng loại transistor.

Khi sử dụng transistor bạn cần quan tâm đến điện áp, cũng như các thông số dòng điện.

IC (Integrated Circuit) – Mạch tích hợp

Một mạch tích hợp là một mạch chuyên dụng hoàn toàn đã được thu nhỏ và vừa với một con chip nhỏ với mỗi chân của chip kết nối với một điểm trong mạch. Các mạch thu nhỏ này thường bao gồm các linh kiện như transistor, điện trở và diode.

Chẳng hạn, sơ đồ mạch bên trong của IC555 có trên 40 linh kiện bên trong nó.

Cũng giống như transistor, bạn có thể tìm hiểu thêm về IC bằng cách tìm kiếm datasheet của chúng. Trong datasheet, bạn sẽ biết được chức năng của các chân. Nó cũng cho biết thông số điện áp và dòng điện của cả chip và từng chân riêng rẽ.

Các mạch tích hợp có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Đối với người mới bắt đầu, các bạn chủ yếu làm việc với các chip  DIP (Dual In-line Package). Chúng có chân để gắn xuyên qua lỗ. Ở trình độ cao hơn, bạn sẽ sử dụng các chip SMT là loại chip được dán trên bề mặt của bản mạch.

Biến trở

Biến trở là điện trở mà có thể thay đổi được giá trị. Biến trở có núm chỉnh hoặc thanh trượt để bạn xoay hoặc đẩy để thay đổi điện trở trong một mạch. Nếu bạn đã từng sử dụng một núm chỉnh âm lượng trên một âm thanh hoặc núm chỉnh làm cho đèn sáng tỏ hay sáng mờ, thì bạn đã sử dụng một biến trở.

Biến trở cũng có đơn vị là Ohm như điện trở. Nhưng thay vì dùng các vòng màu, giá trị của biến trở được ghi trực tiếp trên thân. Ví dụ: 1M tức là  biến trở có giá trị 1MΩ. Biến trở có 3 chân để tạo ra một cầu phân áp. Về có bản đó là hai điện trở mắc nối tiếp nhau. Điểm giữa 2 điện trở này là một điện áp có giá trị giữa giá trị nguồn và mass.

LED (Light Emitting Diode)

LED là loại diode đặc biệt, nó sẽ phát sáng khi có dòng điện chạy qua. Giống như diode, LED được phân cực và dòng điện chỉ có thể đi qua một hướng.

Thông thường, có hai dấu hiệu để cho bạn biết hướng dòng điện sẽ đi qua LED. Dấu hiệu đầu tiên đó là LED có một chân dài hơn (Anode) và một chân ngắn hơn (Cathode). Một dấu hiệu khác là một vết phẳng ở mặt bên của đèn LED để chỉ ra cực Anode. Hãy nhớ rằng không phải tất cả các đèn LED có dấu hiệu này (hoặc đôi khi nó sai).

Giống như diode, LED tạo ra sụt áp trên mạch, nhưng thường không thêm nhiều điện trở. Để hạn chế dòng điện qua LED, bạn cần mắc một điện trở nối tiếp với LED.

Bạn có thể bị cám dỗ bằng đèn LED, nhưng hãy nhớ rằng mỗi đèn LED liên tiếp sẽ làm giảm điện áp cho đến khi cuối cùng không còn đủ năng lượng để giữ cho đèn sáng. Như vậy, nó là lý tưởng để ánh sáng nhiều đèn LED bằng cách dây chúng song song. Tuy nhiên, bạn cần phải chắc chắn rằng tất cả các đèn LED có cùng mức công suất trước khi bạn làm điều này (màu khác nhau thường có thông số khác nhau).

Công tắc (Switch)

Về cơ bản, công tắc là một thiết bị cơ khí để tạo ra ngắt mạch. Khi bạn kích hoạt công tắc, nó sẽ đóng hoặc mở mạch điện. Điều này phụ thuộc vào loại công tắc sử dụng.

Công tắc thường mở (NO – Normal Open), công tắc đóng mạch khi được kích hoạt.

Công tắc thường đóng (NC – Normal Close), công tắc mở mạch khi được kích hoạt.

Đối với các công tắc phức tạp hơn, chúng có thể vừa mở một kết nối này và đóng một kết nối khác khi được kích hoạt. Loại công tắc này gọi là SPDT (Single-Pole, Single-Throw).

Pin (Battery)

Pin là thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa thành điện.

Bằng cách kết nối pin theo dạng nối tiếp, bạn có thể tăng điện áp của từng pin riêng lẽ nhưng dòng điện vẫn không thay đổi. Ví dụ, một pin AA là 1.5V. Nếu bạn mắc 3 pin nối tiếp, nó sẽ tăng lên đến 4.5V. Nếu bạn thêm pin thứ tư vào, nó sẽ trở thành 6V.

Bằng cách mắc pin theo dạng song song, điện áp vẫn giữ nguyên, nhưng dòng điện sẽ gấp đôi. Cách mắc này ít được thực hiện hơn nhiều so với cách mắc pin nối tiếp, và thường chỉ cần thiết khi mạch yêu cầu dòng điện lớn hơn so với cách mắc nối tiếp.

Testboard

Breadboard là loại board đặc biệt được dùng để tạo ra các nguyên mẫu điện tử. Chúng gồm có các lỗ được bố trí dưới dạng lưới, các lỗ này được chia thành các hàng liên tục có liên kết với nhau để dẫn điện.

Ở phần trung tâm (chính giữa) có hai cột với các hàng cạnh nhau. Việc thiết kế này cho phép bạn có thể đặt (cắm) một IC vào chính giữa. Sau khi IC được đặt (cắm) vào, từng chân của IC sẽ được kết nối với các lỗ liên tục có liên kết với nhau về điện.

Bằng cách này, bạn có thể xây dựng nhanh chóng một mạch điện mà không cần phải hàn hay xoắn các dây dẫn lại với nhau. Đơn giản chỉ cần kết nối các bộ phận được nối với nhau vào một trong các hàng liên tục có liên kết điện.

Trên mỗi cạnh của Breadboard, thông thường có hai đường bus liên tục chạy dọc. Một đường dùng cho bus nguồn và đường còn lại dùng cho bus GND. Bằng cách cắm nguồn và GND tương ứng vào từng đường bus này, bạn có thể dễ dàng truy cập chúng từ mọi nơi trên breadboard.

Dây dẫn

Để kết nối các linh kiện của mạch điện tử lại với nhau sử dụng Breadboard bạn cần có dây dẫn.

Dây dẫn được xem là tốt khi chúng cho phép kết nối mọi thứ mà hầu như không thêm điện trở vào mạch. Điều này cho phép bạn linh hoạt trong việc đặt các linh kiện bởi vì bạn có thể kết nối chúng lại với nhau sau bằng dây dẫn. Nó cũng cho phép bạn một linh kiện với nhiều linh kiện khác.