TÀI LIỆU MẠCH nạp

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Mạch nạp
Nội dung
1.

Mạch nạp ISP STK200/300.

2.

Chương trình nạp PonyProg.

3.

Mạch nạp USB AVR910.

Các bài cần tham khảo trước

Làm quen AVR.

Download PonyProg , Download AVR910 USB
Một trong những ưu điểm lớn nhất của các chip AVR là tính đơn giản khi sử dụng
trong đó có việc nạp chương trình cho chip. AVR hỗ trợ khả năng nạp chương trình
ngay trong hệ thống - ISP(In-System Programming), có thể nạp trực tiếp chương trình
vào chip mà không cần tháo chip ra khỏi mạch ứng dụng.
Mạch nạp cho AVR rất phong phú nhưng hầu hết đều rất đơn giản. Trong bài này
tôi giới thiệu 2 loại mạch nạp rất phổ biến trong những người sử dụng AVR đó là
mạch ISP SKT200/300 (gọi tắt là AVR ISP) và mạch USB AVR910. Mỗi loại có ưu
và nhược điểm riêng, tùy theo nhu cầu và khả năng bạn sẽ chọn chế tạo cho mình 1

loại mạch nạp phù hợp.
I. Mạch nạp STK200/300.
Mạch nạp loại này sử dụng cho các board STK200/300 của Atmel nên thường
được gọi là STK200/300. Mạch này giao tiếp với máy tính qua cổng LPT (cổng song
song). Có 2 phiên bản phổ biến của mạch STK200/300 đó là phiên bản thu gọn và
phiên bản sử dụng IC đệm 74xx244.
Sơ đồ mạch nạp thu gọn được trình bày trong hình 1. Đây là loại mạch đơn giản
nhất trong tất cả các loại mạch nạp cho AVR, mạch chỉ bao gồm 4 điện trở. Nhược
điểm của mạch này là không an toàn, có thể gây hại cho cổng LPT (thật ra tôi chưa
mắc phải vấn đề này khi sử dụng mạch STK200/300 thu gọn). Mặt khác mạch này
không đảm bảo nạp được cho tất cả các chip AVR. Tuy nhiên, nếu bạn không có nhiều
kinh nghiệm làm các mạch điện tử thì có thể chế tạo mạch này để test chương trình
AVR mà bạn đã học.

Created by QuocHuy Hoang


Page 1


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 1. Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn.
Một loại mạch STK200/300 khác được sử dụng rất phổ biến là loại mạch có dùng
IC đệm 74HC244 (hoặc 74LS244), so với mạch thu gọn, mạch này có phức tạp hơn
đôi chút (xem hình 2) nhưng bù lại nó là mạch nạp rất ổn định và an toàn. Mạch này
được hỗ trợ bởi rất nhiều chương trình nạp và sử dụng được cho hầu hết các loại chip
AVR.

Created by QuocHuy Hoang


Page 2


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 2. Sơ đồ mạch nạp STK200/300 đầy đủ.
Như quan sát trong hình 1 và 2, việc nạp ISP cho AVR thường được thực hiện
thông qua 6 đường nạp cơ bản, đó là GND, VCC, RESET, SCK, MISO và MOSI. Khi
chế tạo mạch nạp, bạn phải chú ý thứ tự của các đường nạp này sao cho phù hợp với
thứ tự mà bạn đã bố trí cho mạch ứng dụng. Một điều đặc biệt là ở các chip
ATmega16, ATmega32, ATmega8535, AT90S8535...6 đường dành cho việc nạp ISP
nằm cạnh nhau và theo thứ tự GND, VCC, RESET, SCK, MISO, MOSI. Vì thế tôi
khuyên bạn nên bố trí theo thứ tự này để tiện trong việc kết nối với mạch ứng dụng
(nhất là khi bạn sử dụng các loại chip trên và làm mạch test bằng bread board)..Các
mạch nạp STK200/300 được mô tả trong hình 3.

Created by QuocHuy Hoang


Page 3


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Hình 3. Mạch nạp STK200/300.

II. Chương trình nạp PonyProg.
Chương trình nạp là một tiện ít giúp đổ file hex sau khi biên dịch vào chip thông
qua các mạch nạp. Hầu hết các bộ công cụ lập trình cho AVR đều tích hợp sẵn một
chương trình nạp chip. avrdude là chương trình nạp miễn phí hỗ trợ rất nhiều loại
mạch, được tích hợp với WinAVR. Tuy nhiên, đây là chương trình nạp console
(không có giao diện) nên sử dụng tương đối khó khăn nhất là khi cần nạp các bit Fuse
hay Lock. Các phần mêm lập trình cho chip như CodevisionAVR, ICCAVR,
Bascom,...đều có chương trình nạp riêng rất đa năng và dễ sử dụng. Nhưng do đây là
các công cụ thương mại nên bạn cần mua nếu muốn sử dụng. AVR Studio, tất nhiên,
có chương trình nạp chip AVR Prog nhưng chương trình này lại không hỗ trợ mạch
nạp mà STK200/300 mà tôi giới thiệu bên trên. Cuối cùng là PonyProg, PonyProg
không phải là hoàn hảo nhất nhưng là lựa chọn tối ưu nhất để nạp bằng mạch
STK200/300. Đây là chương trình nạp hoàn toàn miễn phí, hỗ trợ nhiều loại mạch và
nhiều dòng vi điều khiển (như AVR, PIC...), giao diện lại khá dễ sử dụng. Trong phần
này tôi dùng PonyProg để minh họa cho cách nạp chương trình vào AVR thông qua
mạch nạp STK200/300.
Download và cài đặt PonyProg: bạn có thể download miễn phí PonyProg tại
website chính thức của Lancos hoặc tại đây. Cài đặt và tiến hành setup phần mềm.
Created by QuocHuy Hoang


Page 4


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Setup: Trước khi sử dụng PonyProg để nạp AVR bạn cần Setup một số thông số
cho phần mềm như loại chip, loại mạch nạp...Chạy PonyProg, chọn menu Device và
chọn loại chip mà bạn cần nạp (ví dụ "AVR micro/ ATmega32"). Tiếp đến xác nhận
loại mạch nạp và giao diện cổng bằng cách vào menu "Setup/Interface Setup"...Với
mạch nạp STK200/300, hãy set các thông số trong dialog "I/O Port setup" như trong
hình 4 và nhấn OK để xác nhận Setup.

Hình 4. Setup port cho ponyProg.
Ghi fuse bits và Lock bits: Ponyprog cho phép người dùng ghi và đọc các bit cấu
hình của chip như fuse bits và lock bits, để thực hiện, chọn menu
"Command/Security and Configuration bits" hay đơn giản là nhấn tổ hợp phím
Ctrl+S. Dialog mới xuất hiện cho phép bạn cài đăt các bit cấu hình cho chip (chọn các
bit mong muốn và nhấn button write - xem thêm bài fuse bits để hiểu rõ hơn chức
năng các bit này).
Download chương trình vào chip: Hãy mở file chương trình cần nạp vào chip
bằng cách vào menu "File/Open Program (FLASH) file" hoặc nhấn nút công cụ "P"
trên thanh công cụ. Nội dung file FLASH sẽ được hiển thị trong 1 cửa sổ con. Để nạp
chương trình cho chip, hãy vào menu "Command/Write Program(FLASH)" hoặc
nhấn nút công cụ "Write Program Memory(FLASH)" trên thanh công cụ.
Ngoài ra, PonyProg còn có rất nhiều chức năng khác như đọc nội dung chip, xóa
chip, kiểm tra...với các chức năng này bạn hãy tự khám phá và sử dụng.
III. Mạch nạp USB AVR910.
Tuy mạch nạp STK200/300 đơn giản, dễ chế tạo nhưng có một hạn chế là mạch
này sử dụng cổng LPT làm cổng giao tiếp. Trên một số máy tính gần đây cổng LPT đã
bị loại bỏ, thay vào đó các cổng USB đã trở thành cổng giao tiếp không thể thiếu của
máy tinh. Một mạch nạp sử dụng cổng USB sẽ tiện lợi hơn rất nhiều so với cổng LPT
hay COM. Có một số dự án nghiên cứu chế tạo mạch nạp USB cho AVR, trong số đó
có lẽ phổ biến nhất là mạch nạp AVR910 USB của Prottoss. Gọi là mạch AVR910 vì

Created by QuocHuy Hoang


Page 5


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

nguyên lý nạp chương trình của mạch này áp dụng hướng dẫn trong application note
910 của Atmel về In-System Programming. Mạch AVR910 USB được điều khiển bởi
một chip Master Atmega8, chip này chứa một firmware bên trong, firmware thực hiện
2 chức năng: thứ nhất là một cầu chuyển USB-UART dựa trên thư viện của Objective
Development và thứ hai là điều khiển quá trình nạp theo "chuẩn" AVR910.
Mạch nạp ARV910 USB không quá phức tạp cho bạn tự chế tạo, hãy download
các công cụ cần thiết từ website của Prottoss hoặc download trực tiếp tại đây và thực
hiện theo các chỉ dẫn bên dưới.
Giải nén file rar vừa download về bạn sẽ thấy có 3 files bên trong. File thứ nhất là
sơ đồ mạch điện (file pdf), file thứ hai là driver cho máy tính (file inf) và file thứ 3 là
firmware cho chip master ATmega8 (file hex - xem hình bên dưới).

Chế tạo mạch: tham khảo sơ đồ mạch điện và chế tạo một mạch điện theo mạch
nguyên lý trong file pdf hoặc trong hình 5 bên dưới.

Hình 5. Sơ đồ mạch nạp AVR910 USB của Prottoss.
Khi chế tạo mạch điện trên, bạn lưu ý một số điểm như sau: hãy bỏ qua các
Jumper J1, J2 và J3, nối trực tiếp chân 16 của ATmega8 với điện trở R13. Nếu bạn

Created by QuocHuy Hoang

Page 6


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

không biết cách xác định thứ tự chân của cổng USB thì hãy dùng một đổng hồ đo điện
áp, chân 1 sẽ có điện áp dương (khoảng 5V) và chân 4 là chân GND).
Nạp firmware cho chip mega8: trước khi gắn chip mega8 vào mạch điện hình 5,
bạn phải nạp firmware (file USB.910.Programmer.hex) vào chip này bằng một mạch
nạp bất kỳ mà bạn có (ví dụ mạch STK200/300). Chú ý bạn cần set fuse bit cho chip
này sao cho nguồn thạch anh ngoài 12MHz đươc sử dụng (hãy đặt 2 bit BOOTZS0 và
BOOTSZ1 bằng 0 (checked), các bit còn lại bằng 1 (bỏ trống) - tham khảo bài Fuse
bits).
Cài driver cho windows: sau khi chế tạo mạch và nạp firmware cho chip master,
bạn kết nối mạch nạp với cổng USB của máy tính. Một cách tự động, Windows sẽ
nhận diện một phần cứng mới được kết nối và yêu cầu cài đặt driver cho thiết bị. Hãy
browse đến thư mục chứa file driver inf mà bạn đã giải nén. Quá trình cài driver sẽ bắt
đầu, nếu trong quá trình cài đặt Windows thông báo lỗi bạn hãy nhấn "Continue
anyway..." để tiếp tục cài đặt đến khi hoàn tất. Sau khi cài đặt driver một cổng COM
ảo sẽ xuất hiện trong Hardware list của bạn, hãy mở tiện ích Device manager của
Windows để kiểm tra, hãy ghi lại chỉ số cổng COM ảo (COM1, COM2, COM3...) để
khai báo trong các chương trình nạp.
Sử dụng AVR910 USB: mạch nạp AVR910 USB được hỗ trợ bởi phần mềm nạp
của CodevisionAVR và AVR Prog của AVRStudio. Kết nối mạch với máy tính, chạy
AVRStudio và chương trình nạp AVR Prog (vào menu Tools/AVR Prog). Trong mục
Hex file hãy browse đến file hex cần nạp cho chip, mục Device chọn loại chip AVR

và sau đó nhấn button Write trong mục Flash để nạp vào file hex vào chip. Nếu muốn
xác lập fuse bits hay lock bits, hãy nhấn button Advance.

Created by QuocHuy Hoang


Page 7


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 6. Nạp chip bằng mạch nạp AVR910 USB và AVR Prog.

Mạch ứng dụng AVR
Mạch ứng dụng cho AVR là các mạch điện mà bạn cần thiết kế sử dụng chip AVR
làm chip điều khiển. Với mục đích học cách sử dụng chip AVR, chúng ta chỉ cần chế
tạo các mạch ứng dụng AVR đơn giản với một số thành phần cơ bản nhất. Hình 1 giới
thiệu một mạch ứng dụng đơn giản cho chip ATmega32.

Created by QuocHuy Hoang


Page 8


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 1. Mạch ứng dụng đơn giản cho AVR.
Một số thành phần cơ bản trong mạch:
- Mạch tạo nguồn: chip 7805 và các tụ điện được dùng để tạo nguồn 5V ổn định
cho mạch ứng dụng.
- Các chân nguồn cho chip: bạn cần cấp nguồn và mass cho chip, bạn phải nối
chân VCC (chân 10 cho chip ATmega32), và AVCC (chân 30) với nguồn VCC, nối
các chân GND và AGND với mass.
- Các đường nạp chip: chúng ta dành sẵn các đường này để có thể kết nới với các
mạch nạp mà không cần tháo chip khỏi mạch ứng dụng. Bạn nên bố trí các đường này
theo thứ tự mà mạch nạp của bạn được bố trí (ví dụ GND, VCC, RESET, SCK, MISO,
MOSI).
- Bộ tạo dao động - Thạch anh (Crystal): đây là nguồn xung giữ nhịp "nuôi" chip,
không có xung giữ nhịp chip sẽ không hoạt động. Tuy nhiên, đa số các chip AVR đều
hỗ trợ nguồn xung giữ nhịp bên trong với tần số tối ta 8MHz. Nếu bạn thấy không cần
thiết đến tần số hoạt động cao bạn có thể dùng nguồn xung giữ nhịp trong chip, khi đó
bạn có thể bỏ qua bộ tạo xung (gồm thạch anh và 2 tụ điện như trong hình). Việc chọn
nguồn xung "nuôi" chip được xác lập bởi các Fuse bits, bạn cần đọc tài liệu về fuse
bits cho AVR hoặc bài Set Fuse Bits. Một chú ý khác là trên dòng chip ATmega, fuse
Created by QuocHuy Hoang


Page 9


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

bits được set mặc định để sử dụng nguồn xung nội 1MHz, vì thế với các chip này, khi

mới mua về bạn có thể không cần dùng thạch anh ngoài. Nhưng một khi bạn đã set
fuse bits để chọn nguồn xung ngoài thì không được bỏ qua mạch thạch anh này. (Các
chip AT90S..mặc định lấy nguồn xung ngoài).
- Chân AREF là chân điện áp tham chiếu cho các bộ ADC, nếu chế độ tham chiếu
nội được dùng, bạn có thể nối AREF với một tụ điện như trong hình 1.
Đối với các chip AVR khác, bạn có thể tạo mạch ứng dụng theo cách tương tự như
mạch điện này. Hình 2 mô tả cách tự tạo một mạch AVR rất đơn giản bằng breadboard
cho chip ATmega32 (dùng thạch anh nội).

Hình 2. Mạch ứng dụng đơn giản cho ATmega32.

Created by QuocHuy Hoang


Page 10


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Mạch cầu H
Nội dung
1.

Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).

2.

Mạch cầu H dùng rờ le .

3.

Mạch cầu H dùng BJT công suất.

4.

Mạch cầu H dùng MOSFET

Các bài cần tham khảo trước

I. Mạch cầu H (H-Bridge Circuit).
Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một nguồn
điện DC (ắc qui điện – battery). Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B với cực (-)
mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu dây (A với (-), B
với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay. Tất nhiên khi bạn là một “control guy” thì bạn
không hề muốn làm công việc “động tay động chân” này (đảo chiều đấu dây), bạn ắt
sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động thực hiện việc đảo chiều này, mạch
cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn. Như thế, mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp
đảo chiều dòng điện qua một đối tượng. Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không
chỉ có một tác dụng “tầm thường” như thế. Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn
giản là vì mạch này có hình chữ cái H. Xem minh họa trong hình 1.

Created by QuocHuy Hoang


Page 11


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Hình 1. Mạch cầu H.
Trong hình 1, hãy xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng”
là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục
đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến
A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1
và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H
không hoạt động. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua
các hình minh họa 2a và 2b.

Created by QuocHuy Hoang


Page 12


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 2. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết kế
mạch) mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), bạn dễ dàng hình
dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến
đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND (như hình 2a). Như thế, với giả sử
này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B. Bây giờ hãy giả sử
khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này
nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong hình 2b (V->R1->B->A>L2->GND). Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện

qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ) bằng “một cách nào đó”.
Chuyện gì sẽ xảy ra nếu ai đó đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1 và L2
hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Rất dễ tìm câu trả lời, đó là hiện tượng
“ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và hiển nhiên
ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra. Cách đóng các khóa
như thế này là điều “đại kị” đối với mạch cầu H. Để tránh việc này xảy ra, người ta
thường dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết rõ hơn về mạch
logic này trong các phần sau.
Giả thiết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên cùng đóng
(ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường hợp này, cả 2 đầu A, B
của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng điện nào chạy
qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ
(nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Nói chung, chúng ta nên tránh trường
hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay
vì dùng trường hợp này.
Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếp theo
chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể. Như tôi đã
Created by QuocHuy Hoang


Page 13


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

trình bày trong phần trước, thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”,
việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu,
loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều

kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo
bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung
vào 3 loại linh kiện này. Trong mỗi cách thiết kế, tôi sẽ giải thích ngắn gọn nguyên lý
cấu tạo và hoạt động của từng loại linh kiện để bạn đọc dễ nắm bắt hơn.
II. Mạch cầu H dùng rờ le.
Rờ le là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện (electrical mechanical device, không
phải cơ điện tử đâu nhé :) ). Gọi là công tắc cơ điện vì chúng gồm các tiếp điểm cơ
được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Với khả năng đóng mở các tiếp điểm, rờ le
đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H. Thêm nữa chúng lại được điều
khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa là chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip điều
khiển nào) để điều khiển rờ le, qua đó điều khiển mạch cầu H. Hãy quan sát cấu tạo và
hình dáng của một loại rờ le thông dụng trong hình 3.

Hình 3. Cấu tạo và hình dáng rờ le.
Hình 3a (phía trên) mô tả cấu tạo của 1 rờ le 2 tiếp điểm. Có 3 cực trên rờ le này.
Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp điểm thường đóng (Normal
Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal Open). Trong điều kiện bình thường,
khi rờ le không hoạt động, do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc
với tiếp điểm NC tạo thành một kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là
tiếp điểm thường đóng (bình thường đã đóng). Khi một điện áp được áp vào 2 đường
kích Solenoid (cuộn dây của nam châm điện), nam châm điện tạo ra 1 lực từ kéo thanh
nam châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa mà
chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và NO. Hoạt
động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích Solenoid. Một
Created by QuocHuy Hoang


Page 14

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của rờ le là tính “cách li”.
Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của rờ le, và vì thế
sẽ rất an toàn. Có 2 thông số quan trọng cho 1 rờ le là điện áp kích Solenoid và dòng
lớn nhất mà các điểm điểm chịu được. Điện áp kích solenoid thường là 5V, 12V hoặc
24V, việc kích solenoid chính là công việc của chip điều khiển (ví dụ AVR). Vì tiếp
xúc giữa cực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị
hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp
xúc. Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn
rờ le phù hợp.
Hình 3a (phía dưới) là ký hiệu của một rờ le mà bạn có thể gặp trong các phần
mềm thiết kế mạch điện tử. Trong ký hiệu này, chân 1 là chân C, chân 2 là tiếp điểm
NC và chân 3 là tiếp điểm NO, trong khi đó hai chân 4 và 5 là 2 đầu của cuộn
solenoid. Chúng ta sẽ dùng ký hiệu này khi vẽ mạch cầu H dùng rờ le. Sơ đồ một
mạch cầu H đầu đủ dùng rờ le được minh họa trong hình 4.

Hình 4. Mạch cầu H dùng rờ le.
Trong mạch cầu H dùng rờ le ở hình 4, 4 diode được dùng để chống hiện tượng
dòng ngược (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đường kích solenoid không được
nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc kích các transistor
lại được thực hiện qua các điện trở. Tạm thời chúng ta gọi tổ hợp điện trở + transistor
là “mạch kích”, tôi sẽ giải thích rõ hơn hoạt động của mạch kích trong phần tiếp theo.
Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay
rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng
trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất chậm,
nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng. Vì

Created by QuocHuy Hoang


Page 15


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

vậy, mạch cầu H bằng rờ le không được dùng trong phương pháp điều khiển tốc độ
động cơ bằng PWM. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các linh điện có thể
thay thế rờ le trong mạch cầu H, gọi là các “khóa điện tử” với khả năng đóng/mở lên
đến hàng nghìn hoặc triệu lần trên mỗi giây.
II. Mạch cầu H dùng BJT công suất.
BJT là viết tắt của từ Bipolar Junction Transistor là một linh kiện bán dẫn
(semiconductor device) có 3 cực tương ứng với 3 lớp bán dẫn trong cấu tạo. Trong tất
cả các tài liệu về điện tử cơ bản đều giải thích về bán dẫn và BJT, trong tài liệu này tôi
chỉ giới thiệu khái quát cấu tạo của transistor và chủ yếu là các chế độ hoạt động của
transistor.
Bán dẫn là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, Silic (Si)
là một ví dụ điển hình, các nguyên tố này có 4 electron ở lớp ngoài cùng. Ở trạng thái
thường, Si là chất dẫn điện kém (gần như không dẫn điện), khi nhiệt độ tăng, các
electron dao động mạnh và dễ dàng bị “bứt” ra khỏi tinh thể và do đó tính dẫn điện
của bán dẫn sẽ tăng. Tuy nhiên, bán dẫn được dùng để chế tạo linh kiện điện tử không
phải là các tinh thể thuần khiết mà có pha “tạp chất”. Nếu pha nguyên tố nhóm V (như
Photpho) vào Si, 4 electron lớp ngoài cùng của P tạo liên kết công hóa trị với Si và có
1 electron của P bị “thừa” (vì P có 5 electron lớp ngoài cùng). Chất bán dẫn có pha
Photpho vì thế rất dễ dẫn điện và có tính chất “âm” nên gọi là bán dẫn loại n
(Negative), “hạt dẫn” trong bán dẫn loại n là electron (e thừa). Trường hợp nguyên tố

nhóm III, như Bo (Boron), được pha vào Si, 3 electron lớp ngoài cùng của Bo kết hợp
với 4 electron của Si tuy nhiên vẫn còn 1 “chỗ trống” sẵn sàng nhận electron. “Chỗ
trống” này được gọi là “lỗ trống” và có tính chất như 1 loại hạt dẫn dương. Bán dẫn
loại này vì thế gọi là bán dẫn loại p (Positive). Mức độ pha tạp chất quyết định độ dẫn
của bán dẫn. Tuy nhiên, bán dẫn có pha tạp chất dù đã cải thiện tính dẫn điện vẫn
không có nhiều tác dụng, “điều kỳ diệu” chỉ xảy ra khi ghép chúng lại với nhau.
Khi ghép bán dẫn loại p và loại n với nhau tạo thành tiếp xúc p-n (p-n junction),
đây chính là các diode. Đặc điểm của tiếp xúc p-n là chỉ có dòng điện chạy qua theo 1
chiều từ p sang n. Khi ghép 3 lớp bán dẫn sẽ tạo thành transistor, phụ thuộc vào thứ tự
bán dẫn được ghép chúng ta có transistor npn hay pnp. Tôi sẽ chọn transistor npn để
giải thích hoạt động của transistor vì loại này được dùng phổ biến trong các ứng dụng
điều khiển (và cả trong mạch cầu H). Hình 5 là mô hình và ký kiệu của transistor npn.

Hình 5. Transistor npn.

Created by QuocHuy Hoang


Page 16


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Ba lớp bán dẫn n, p và n kết hợp tạo thành 3 cực C (cực thu-Collector), cực B
(nền – Base) và cực E (phát – Emitter). Tùy theo cách mắc transistor mà người ta có
các loại phân cực khác nhau, trong hình 6 tôi trình bày cách phân cực rất cơ bản mà
chúng ta sẽ dùng sau này, phân cực E chung (CE- Common Emitter).

Hình 6. Phân cực E chung cho npn BJT.
Tuy là được tạo nên từ các bán dẫn tạp chất nhưng nồng độ tạp chất của các lớp
trong npn BJT rất khác nhau. Lớp E rất “giàu” hạt dẫn, kế đến là lớp C và lớp B thì lại
rất ít hạt dẫn và rất mỏng. Khi điện áp cực B lớn hơn điện áp cực E, tiếp xúc p-n giữa
B và E được phân cực thuận. Dòng electron từ E (vốn có rất nhiều do cách pha tạp
chất) ào ạt “chảy” về B, trong khi lớp B (bán dẫn loại p) vốn rất mỏng và nghèo hạt
dẫn (lỗ trống), nên phần lớn electron từ E sẽ “tràn” qua cực C và đi về nguồn Vc như
mô tả trên hình 6. Chú ý trên hình 6 tôi vẽ chiều di chuyển là chiều của dòng electron,
chiều dòng điện sẽ ngược lại (vì theo định nghĩa chiều dòng điện ngược chiều
electron). Diễn giải đơn giản, dòng diện từ cực B đã gây ra dòng điện từ cực C về E.
Quan hệ của các dòng điện như sau:
IE=IB+IC
(1)
Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến
cực B. mối quan hệ như sau:
IC=hfeIB
(2)
Thông số hfe gọi là hệ số khuyếch đại tĩnh (DC Current Gain) của BJT và là hằng số
được ghi bởi các nhà sản xuất, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loại BJT, gái trị
của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm. Chính vì đặc điểm này mà transistor
được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại”. Hãy quan sát phần mạch điện bên
phải trong hình 6 (phía Vc), nếu giả sử đoạn CE của BJT là một “điện trở”, xem lại
công thức (2), nếu tăng dòng điện IB thì dòng IC sẽ tăng theo trong khi điện trở RC và
nguồn VC lại không đổi, rõ ràng “điện trở EC” đang giảm. Nói cách khác, dòng IB sẽ
làm giảm điện trở giữa 2 cực CE của BJT. Tiếp tực tăng IB thì điều gì xảy ra, điện trở
giữa 2 cực CE sẽ giảm đến giá trị nhỏ nhất có thể của nó (thường gần bằng 0, giá trị
này được ghi trong datasheet mỗi loại của BJT). Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần
mạch điện bên phải gần như cố định (VC, RC, RCE) nên dòng IC cũng đạt giá trị max và
gần như không thay đổi cho dù có tăng IB. Quan hệ giữa IB và IC không còn đúng như
công thức (2). Hiện tượng này gọi là bão hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của

Created by QuocHuy Hoang


Page 17


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của các mạch điện tử số (điều này giải thích tại
sao người ta hay đề cập đến số lượng transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy
tính chẳng hạn). Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là
ICmax < hfeIB. Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt động như một “khóa điện tử”, hãy xem hình
7.

Hình 7. Khóa điện tử BJT.
Giả sử trong mạch điện ở hình 7 RB=330, RC=10K , hệ số khuyếch đại tĩnh của
transistor là 100. Khi điện áp ở ngõ vào Vi=0V, BJT không hoạt động, dòng điện
qua RC bằng 0 (hoặc rất nhỏ), điện áp ngõ ra Vo=12V. Khi Vi được kích kích bởi điện
áp 5V, dòng IB=(5 - 0.7)/330=0.013A trong đó 0.7 là điện áp rơi trên BE. Dòng IC đạt
giá trị lớn nhất khi VCE=0V, khi đó ICmax =12/10K=0.0012A. Rõ ràng IC < hfeIB và BJT
sẽ bão hòa. Khi BJT bão hòa, VCE=0V và ngõ ra Vo được “nối” với GND nên
Vo=0V . Tóm lại, bằng cách thay đổi mức điện áp Vi từ 0V sang 5V, điện áp ngõ ra sẽ
được “switch” từ 12V sang 0V. Hoạt động của BJT khi bão hòa đôi khi còn được gọi
là khuyếch đại điện áp. Vì chế độ bão hòa, BJT có thể được dùng làm các khóa điện tử
trong mạch cầu H. Bạn hãy dùng chế độ bão hòa cùa BJT để tự giải thích hoạt động
của 4 BJT 2N3904 dùng trong mạch cầu H ở hình 4.
Mạch điện trong hình 7 gọi là E chung. Mạch E chung của BJT hoạt động rất tốt
trong chế độ khóa điện tử. Nếu chúng thay điện trở bằng động cơ thì mạch này tương

đương với phần phía dưới của mạch cầu H (BJT tương đương với khóa L2 hoặc R2
trong hình 1). Câu hỏi đặt ra là có thể dùng thêm 1 BJT npn như trên để làm phần trên
của mạch cầu H. Hãy xét mạch điện trong hình 8.

Created by QuocHuy Hoang


Page 18


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

Hình 8. Mạch C chung.
Mạch điện trong hình 8 gọi là mạch C chung, điểm khác biệt duy nhất của mạch
điện này so với hình 7 là điện trở RC được dời xuống phía dưới cực E nên gọi là RE.
Không cần khảo sát phần cực C hãy khảo sát mạch Vi -> B ->E -> RE -> GND. Khi
Vi=5V, do điện áp rơi trên BE luôn là 0.7V (đặc điểm của tiếp xúc pn khi dẫn điện)
nên điện áp rơi trên điện trở RE luôn là 4.3V mặc dù điện áp cực C là 12V, như thế
điện áp giữa 2 cực CE là 12 - 4.3 = 7.7V. Điều này được hiểu là giữa CE có một “điện
trở” khá lớn, “khóa điện tử” không hoạt động tốt đối với mạch C chung. Nếu RE là
một motor DC loại 12V thì rõ ràng motor không hoạt động tốt vì điện áp rơi trên nó
chỉ có 4.3V. Mặc khác điện áp CE quá lớn có thể gây hỏng BJT. Vì lí do này nếu bạn
dùng BJT npn làm phần trên của mạch cầu H, BJT này sẽ rất mau hỏng (rất nóng) và
mạch không hoạt động tốt. Như vậy, một chú ý khi thiết kế khóa điện tử dùng BJT
là “tải” phải được đặt phía trên BJT tức là nên dùng mạch E chung như trong
hình 7.
Quay lại mạch cầu H, giải pháp để vượt qua nhược điểm đề cập ở trên là sử dụng
BJT loại pnp cho phần trên của mạch cầu H. Nguyên lý hoạt động của BJT pnp cũng

na ná npn nhưng chiều dòng điện thì ngược lại. Với các khóa điện tử dùng BJT loại
pnp, để kích khóa thì điện áp cực B được kéo xuống thấp thay vì kéo lên cao như
trong hình 7. Chúng ta hãy khảo sát một một ví dụ trong hình 9.

Created by QuocHuy Hoang


Page 19


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 9. Mạch E chung dùng BJT pnp.
Mũi tên trong ký hiệu của BJT pnp hướng từ E vào B, ngược lại với BJT npn. Nếu
điện áp Vi=12V=VE hoặc ngõ Vi không được kết nối thì BJT không hoạt động, không
có dòng điện qua RC vì dòng IB =0 nên dòng IC =0. Khi Vi=0V thì dòng IB xuất hiện và
xuất hiện dòng IC (từ cực E) , nếu dòng IB đủ lớn sẽ gây bão hòa BJT và điện áp VEC
gần bằng 0V hay điện áp rơi trên RC gần bằng 12V, khóa hoạt động rất tốt. Do đó, BJT
pnp thường được dùng làm phần trên trong các mạch cầu H. Một điều thú vị là mạch
điện trong hình 9 cũng là một mạch E chung.
Có lẽ đã đến lúc chúng ta di thiết kết một mạch cầu H hoàn chỉnh dùng BJT. Trong
hình 10 tôi giới thiệu một cách thiết kế, đây không phải là cách duy nhất nhưng tôi sẽ
dùng mạch này trong việc giải thích và ví dụ điều khiển (nếu có). Bạn có thể “chế” lại
tùy thích miễn sao đảm bảo tất cả các BJT phải rơi vào trạng thái bão hòa khi được
kích.

Created by QuocHuy Hoang

Page 20


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 10. Mạch cầu H dùng BJT.
Tôi chọn 2 loại BJT công suất trung bình TIP41C và TIP42C để làm mạch cầu.
Điện áp cao nhất mà 2 loai BJT này chịu được là 100V và dòng tối đa là 6A (chỉ là
danh nghĩa, thực tế có thể thấp hơn). BJT npn TIP41C có thể kích trực tiếp, riêng BJT
pnp TIP42C cần dùng thêm 1 BJT loại npn 2N3904 làm “mạch kích”. Khi điện áp ngõ
L1 ở mức thấp, BJT Q0-1 không hoạt động, không tồn tại dòng IC của BJT này, nghĩa
là không có dòng IB của BJT Q1, Q1 vì thế không hoạt động và tương đương một
khóa Q1 mở. Khi L1 được kéo lên mức cao, 5V, BJT Q0-1 bão hòa (mạch E chung),
dòng IC của Q0-1 xuất hiện và cũng là dòng IB của BJT Q1. Q1 vì thế cũng bão hòa
và tương đương một khóa đóng. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp
chuẩn 0V và 5V để kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể
lên vài chục hay trăm Volt. Các đường L1, L2, R1 và R2 sẽ được vi điều khiển (AVR)
điều khiển. Do BJT có thể được kích ở tốc độ rất cao nên ngoài chức năng đảo chiều,
mạch cầu H dùng BJT có thể dùng điều khiển tốc độ motor bằng cách áp tín hiệu
PWM vào các đường kích (thảo luận sau).
Nhược điểm lớn nhất của mạch cầu H dùng BJT là công suất của BJT thường nhỏ,
vì vậy với motor công suất lớn thì BJT ít được sử dụng. Mạch điện kích cho BJT cần
tính toán rất kỹ để đưa BJT vào trạng thái bão hòa, nếu không sẽ hỏng BJT. Mặt khác,
điện trở CE của BJT khi bão hòa cũng tương đối lớn, BJT vì vậy có thể bị
nóng…Trong phần tiếp theo tôi giới thiệu một loại linh kiện khác thường dùng làm
mạch cầu H, MOSFET.

Created by QuocHuy Hoang


Page 21


Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Copyright © 2010 Cùng học AVR

IV. Mạch cầu H dùng MOSFET.
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11 mô tả cấu tạo
của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p.

Hình 11. MOSFET.
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E
và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử,
ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện
áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện
trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện áp dẫn DS), MOSFET tương đương với
một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp
chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện áp dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của
MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng
IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các
mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh
kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách
thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và
MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất

MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh
P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một
ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS).
Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ
thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới
và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để giải thích, hãy ví dụ một
MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như trong hình 12.

Created by QuocHuy Hoang


Page 22


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 12. Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC.
Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng
0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor
nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích
dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất
15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp
15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch
cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong
trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS
của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong
các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại
N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng 2

loại MOSFET tương đồng.

Created by QuocHuy Hoang


Page 23


Copyright © 2010 Cùng học AVR

Thanhtam Ho - www.hocavr.com

Hình 13. Mạch cầu H dùng MOSFET.
Tôi dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng International
Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có
thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương
đối cao (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần kích cho các MOSFET
kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp vào các
đường L2 hay R2. Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh P) tôi phải dùng thêm BJT
2N3904 để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904, chân G của MOSFET được
nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần bằng VS cũng là điện áp chân
S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn. Khi kích các line L1 hoặc R1, các BJT
2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa
2N3904 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S,
MOSFET dẫn. Vi điều khiển có thể được dùng để kích các đường L1, L2, R1 và R2.
...

Created by QuocHuy Hoang

Page 24