Soạn giáo án chuyên đề Vật lí 11 kết nối tri thức chuyên đề 3 Bài 8: Bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra (P2)

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV phân tích một số tình huống đối với một bộ tăng âm để định hướng HS tiếp cận với các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán như:

+ Tình huống 1: Khi micro ở quá xa thì tiếng phát ra loa sẽ nhỏ. Vậy phải cần bộ tăng âm có hệ số khuếch đại như thế nào để tiếng ra loa không bị nhỏ

à HS có thể trả lời là hệ số khuếch đại phải cao.

- Trên cơ sở đó, GV nêu tính chất thứ nhất của bộ khuếch đại thuật toán và đưa ra nhận định: Nhờ tính chất này mà bộ khuếch đại thuật toán có thể khuếch đại được tín hiệu rất nhỏ.

+ Tính huống 2: Tín hiệu từ micro hoặc tín hiệu ra loa của bộ tăng âm có thể bị suy giảm do chúng bị tiêu hao bởi những thành phần trong bộ tăng âm. Đối với bộ tăng âm thì điều này tốt hay không tốt?

à HS sẽ trả lời được là không tốt.

- Trên cơ sở đó, GV nêu tính chất thứ hai và đưa ra nhận định: Nhờ tính chất này mà bộ khuếch đại thuật toán có thể cho tín hiệu ra ổn định, do đó nếu bộ tăng âm được cấu tạo từ mạch khuếch đại thuật toán thì nó sẽ có nhiều tính chất ưu việt.

+ Tình huống 3: Một bộ tăng âm có thể bị méo tiếng (tiếng bị rè) khi âm thanh tới micro quá cao (âm bổng) hoặc quá thấp (âm trầm), nguyên nhân là do hệ số khuếch đại bị thay đổi với những tần số trên. Vậy hệ số khuếch đại của bộ tăng âm phải như thế nào đối với tần số để tiếng không bị méo?

à HS có thể trả lời là phải ổn định (không đổi) đối với tần số.

- Trên cơ sở đó, GV nêu tính chất thứ ba và đưa ra nhận định: Như vậy, bộ khuếch đại thuật toán đảm bảo cho hệ số khuếch đại không đổi khi tần số thay đổi. Nếu dùng bộ khuếch đại này để làm bộ tăng âm thì tiếng sẽ không bị méo.

- GV phân tích các tính chất còn lại của bộ khuếch đại thuật toán và đưa ra kết luận: Với những tính chất ưu việt như trên, bộ khuếch đại thuật toán đã được ứng dụng rất nhiều trong khoa học và trong cuộc sống.

-  GV yêu cầu HS đọc thêm phần “Em có biết” trong SGK – tr50.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm, tìm hiểu về một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán    

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện HS của các nhóm trình bày kết quả thảo luận 

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

II. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

Một số tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

- Có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ

- 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.

- Có thể hoạt động ở mọi tần số

- Tín hiệu không có thời gian trễ

- Không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại 

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV đặt câu hỏi: Để bật, tắt bóng điện trong nhà thì chúng ta phải dùng linh kiện (dụng cụ) gì?

à HS có thể trả lời: dùng công tắc.

- GV tiếp tục đặt câu hỏi: Vậy với thiết bị đóng, ngắt tự động như đèn tự động bật (tắt) khi trời tối (sáng) thì chúng ta phải dùng linh kiện gì?

à HS có thể có nhiều phương án trả lời (có thể chưa đúng) theo hướng dùng cảm biến, mạch khuếch đại (đã học ở bài trước), công tắc tự động.

- Trên cơ sở đó, GV giải thích: tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ không đủ để làm đèn sáng. ngay cả khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu cũng không cung cấp đủ dòng cho đèn vậy ta cần một thiết bị tự động đóng, ngắt mạch điện với công suất lớn được điều khiển bằng dòng điện ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán để đóng, ngắt mạch điện. Thiết bị đó chính là relay.

– GV tiếp tục cho HS quan sát một relay, giới thiệu các điện cực

- GV đưa ra kết luận: hoạt động của relay được điều khiển bởi dòng điều khiển. Dòng điều khiển có giá trị nhỏ trong khi dòng điện tải có giá trị lớn hơn rất nhiều.

- GV có thể định hướng HS tham khảo SGK, thảo luận trả lời các câu hỏi trang 51 SGK

CH1. 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?

CH2. Dòng điều khiển và dòng qua mạch tải điện được chạy trong bộ phận nào của relay điện từ?

- GV đặt câu hỏi: Muốn tín hiệu từ cảm biến điều khiển relay thì tại sao phải dùng đến bộ khuếch đại thuật toán?

à HS có thể trả lời: bởi vì tín hiệu điện từ cảm biến quả nhỏ, không đủ để điều khiển relay.

- GV tiếp tục đặt câu hỏi: Để tín hiệu lối ra của mạch khuếch đại thuật toán điều khiển được relay thì chúng ta phải mắc mạch thế nào?

- HS sẽ thảo luận và đưa ra sơ đồ mạch điện.

- Trên cơ sở đó, GV phân tích mạch điện mà HS để xuất, hướng dẫn cho HS vẽ đúng sơ đồ như Hình 8.5.

- GV yêu cầu HS thảo luận trả lời câu hỏi 3 trong SGK – tr51: 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?

- GV nhấn mạnh vai trò của diode trong mạch điện: Mạch khuếch đại thuật toán trong Hình 8.5 dùng nguồn đối xứng nên điện áp lối ra của nó sẽ nhận 2 mức giá trị điện áp gần bằng điện áp dương hoặc âm nguồn. Chính vì vậy, nếu không có diode chỉnh lưu (để điện áp lỗi ra chỉ nhận 2 giá trị bằng 0 hoặc dương (âm) nguồn) thì relay sẽ luôn ở trạng thái đóng mạch điện.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm, tìm hiểu về relay điện từ

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện HS của các nhóm trình bày kết quả thảo luận 

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

III. THIẾT BỊ ĐẦU RA

1. Relay điện từ

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

- Hoạt động của relay được điều khiển bởi dòng điều khiển. Dòng điều khiển có giá trị nhỏ trong khi dòng điện tải có giá trị lớn hơn rất nhiều.

Câu hỏi (SGK – tr51)

1.- Relay điện từ là thiết bị có có chức năng đóng, ngắt hoặc chuyển mạch tải điện bằng lực từ thông qua dòng điện điều khiển.

- Sự khác nhau giữa relay điện từ và công tắc thông thường: Sự khác nhau cơ bản giữa relay điện từ là công tắc thông thường là relay điện từ dùng dòng điện chạy qua nam châm điện tạo lực từ để điều khiển các tiếp điểm đóng, ngắt mạch điện trong khi công tắc thông thường phải dùng lực “bằng tay” để thực hiện nhiệm vụ này.

2. Nguồn điều khiển được sử dụng trong relay điện từ là để cấp dòng cho nam châm điện tạo lực từ đóng, ngắt mạch điện.

3. Nếu nối trực tiếp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán với chân điều khiển của relay mà không qua diode thì relay trong Hình 8.5 sẽ không hoạt động: Vì mạch khuếch đại thuật toán trong Hình 8.5 dùng nguồn đối xứng nên điện áp lối ra của nó sẽ nhận 2 mức giá trị điện áp gần bằng điện áp dương hoặc âm nguồn. Chính vì vậy, nếu không có diode chỉnh lưu (để điện áp lỗi ra chỉ nhận 2 giá trị bằng 0 hoặc dương (âm) nguồn) thì relay sẽ luôn ở trạng thái đóng mạch điện.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV giới thiệu sơ lược về LED bao gồm cách mắc diode trong mạch điện, điện áp hoạt động, kí hiệu,...

- GV đặt câu hỏi: Giả sử có một LED có điện áp định mức là 2,5 V và một điện trở. Điện trở và LED phải mắc như thế nào vào nguồn điện có suất điện động 5 V mà LED không bị hỏng?

à HS có thể trả lời điện trở và LED phải mắc nối tiếp.

- GV yêu cầu HS thảo luận trả lời câu hỏi 1,2 trong SGK tr52

+ Trong sơ đồ Hình 8.8, để dàn LED sáng thì điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán phải dương hay âm so với đất?

+ Tại sao phải mắc điện trở nối tiếp với đèn LED ở lối ra của mạch khuếch đại thuật toán?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm, tìm hiểu về Diode phát quang (LED)

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện HS của các nhóm trình bày kết quả thảo luận về Diode phát quang (LED)

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

2. Diode phát quang (LED)

- LED là một linh kiện điện từ biến đổi điện năng thành quang năng với hiệu suất cao

- LED là một diode bán dẫn, sẽ phát sáng nếu có dòng điện chạy theo chiều thuận

- Kí hiệu của LED trong mạch điện

Câu hỏi (SGK – tr52)

1.Vì LED chỉ sáng khi dòng điện chạy qua nó theo chiều thuận nên điện áp ra của mạch khuếch đại thuật toán trong sơ đồ Hình 8.8 SGK phải dương số với đất.

2. Điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán thường cao hơn điện áp định mức của LED, do đó nếu mắc trực tiếp LED vào lối ra thì sẽ làm hỏng LED. Với một điện trở thích hợp được mắc nối tiếp với LED sẽ làm cho điện áp trên LED phù hợp với điện áp định mức của nó.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV nêu câu hỏi: Vôn kế dùng để làm gì? Đơn vị trên thang chia độ của vôn kế

à HS có thể sẽ trả lời: để đo hiệu điện thế, đơn vị trên thang đo là V, mV...

- Trên cơ sở đó, GV đặt tình huống: Một cảm biến cho ra tín hiệu là điện áp tỉ lệ với một đại lượng vật lí nào đó. Chúng ta có thể dùng vôn kế để đo điện áp này để tính ra giá trị của đại lượng vật lí đó không?

- HS thảo luận để đưa ra câu trả lời.

- GV tiếp tục định hướng: Trong trường hợp vốn kế không đo được tín hiệu rất nhỏ từ cảm biến thì ta phải làm thế nào?

à HS có thể sẽ trả lời: phải sử dụng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu.

- GV đặt vấn đề: Sau khi sử dụng mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến để bộ hiển thị chỉ thị được đại lượng vật lí cần đo thì ta phải làm thế nào?

à HS có thể sẽ trả lời: phải mắc bộ chỉ thị vào lối ra của mạch khuếch đại thuật toán và hiệu chuẩn thiết bị.

- GV tổ chức cho HS thảo luận và hướng dẫn HS cách hiệu chuẩn thiết bị và chia lại thang chia của vôn kế theo đơn vị mới.

- GV yêu cầu HS thảo luận trả lời câu hỏi 1,2 trong SGK tr53

1. Bộ khuếch đại thuật toán có vai trò gì trong việc hiệu chuẩn thiết bị đo?

2. 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?

- GV yêu cầu HS đọc thêm phần “Em có biết” trong SGK – tr52

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS thảo luận nhóm, tìm hiểu về Diode phát quang (LED)

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện HS của các nhóm trình bày kết quả thảo luận về Diode phát quang (LED)

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, chuẩn kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

3. Bộ hiển thị

- Bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến khi khảo sát một đại lượng nào đó.

- Bộ hiển thị giúp hiển thị trực tiếp các giá trị cần đo

Câu hỏi (SGK – tr52)

1. Vai trò của mạch khuếch đại thuật toán trong hiệu chuẩn thiết bị đo trong bài học là để khuếch đại tín hiệu cần đo.

2. Thang đo và đơn vị đo phải được chia lại vì:

- Đơn vị đo trên vôn kế có thể không cùng đơn vị đo với đại lượng vật lí cần hiển thị.

- Tỉ lệ thang chia độ trên vôn kế không cùng với tỉ lệ thang chia độ của đại lượng vật lí cần hiển thị. Trong một số trường hợp, đại lượng vật lí cần hiển thị thay đổi không tuyến tính với góc quay dẫn đến thang chia độ không đều trong khi thang chia độ của vôn kế được chia đều theo góc quay.