Ứng dụng thực tế của biến trở điều khiển từ xa

Tại sao phải lại gần một con điện trở khi bạn có thể điều chỉnh nó từ xa?

Biến trở điều khiển từ xa giúp việc kiểm soát mạch analog trở nên dễ dàng hơn, gọn gàng hơn và thú vị hơn rất nhiều. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số ý tưởng thực tiễn để vọc thử với kiểu điều chỉnh này.

Trước hết, cần lưu ý rằng biến trở điều khiển từ xa được đề cập ở đây thực chất là một điện trở điều khiển bằng điện áp (voltage-controlled resistor – VCR). Một điện trở điều khiển bằng điện áp là linh kiện điện tử có giá trị điện trở thay đổi tùy theo điện áp điều khiển được áp vào.

Nếu bạn đang làm việc với các mạch analog hoặc thiết bị âm thanh, thì các điện trở điều khiển bằng điện áp có thể là “phép màu ẩn sau hậu trường” giúp mạch điện trở nên linh hoạt và biểu cảm hơn.

Không giống như điện trở cố định thông thường, điện trở điều khiển bằng điện áp có thể điều chỉnh giá trị điện trở một cách linh hoạt dựa trên mức điện áp điều khiển (control voltage – CV) được áp vào. Thành phần cốt lõi của VCR thường là một transistor hiệu ứng trường (FET), trong đó điện trở giữa chân drain và chân source có thể được điều chỉnh chính xác bằng cách thay đổi điện áp ở chân gate. Chính điện áp này đóng vai trò như điện áp điều khiển, cho phép FET hoạt động như một biến trở thực thụ.

**Hình 1** Sơ đồ cơ bản minh họa một transistor hiệu ứng trường tiếp giáp (JFET) hoạt động như một **điện trở biến thiên theo điện áp** trong mạch giảm biên độ (variable attenuator).

Tại đây, cần lưu ý rằng biến trở là một linh kiện điện tử đơn giản với giá trị điện trở có thể điều chỉnh thủ công, trong khi bộ suy giảm biến thiên (variable attenuator) lại là một mạch phức tạp hơn, dùng để điều khiển cường độ tín hiệu — thường tích hợp biến trở trong thiết kế của nó.

Về cơ bản, một FET là một linh kiện có điện trở thay đổi tùy thuộc vào điện áp được áp vào. Bằng cách tinh chỉnh điện áp giữa chân gate và source, bạn có thể kiểm soát điện trở giữa chân drain và source — về bản chất, biến FET thành một điện trở biến thiên theo điện áp (voltage-controlled variable resistor).

Khá thú vị, đúng không? Tuy nhiên, điều cần lưu ý là FET có ba chân, nên khi dùng chúng trong mạch biến trở điều khiển từ xa, mọi thứ có thể trở nên hơi phức tạp. Điều đó khiến tôi tự hỏi: có giải pháp nào đơn giản hơn không? Và rồi tôi khám phá ra một thiết bị nhỏ tuyệt vời: photo-FET optocoupler. Thiết bị này thực hiện được điều tương tự một cách trơn tru, đồng thời cung cấp khả năng cách ly quang học hoàn toàn giữa đầu vào và đầu ra, giúp mạch trở nên đơn giản hơn rất nhiều.

Một photo-FET optocoupler cung cấp một tải điện phù hợp với các mạch tương tự, có khả năng chuyển từ trở kháng cao sang điện trở thấp khi có tín hiệu kích hoạt đầu vào. Nó có thể hoạt động như một biến trở, tuy nhiên, mối quan hệ giữa dòng điện đầu vào và điện trở đầu ra là phi tuyến và không dễ dự đoán.

mạch chia điện áp đơn giản — **Hình 2**: Mạch đơn giản của bộ chia điện áp (voltage divider attenuator) minh họa một ứng dụng cơ bản của **photo-FET optocoupler**, hoạt động như một **biến trở điều khiển bằng điện áp**.

Lựa chọn nhanh lần này là H11F1M, một linh kiện nhỏ gọn tiện dụng kết hợp nguồn phát hồng ngoại với một cảm biến quang silicon đối xứng hai chiều, hoạt động giống như một FET cách ly lý tưởng được thiết kế nhằm giảm méo tín hiệu.Linh kiện này được sử dụng để điều khiển tín hiệu tương tự AC và DC ở mức thấp.

Quay lại với sơ đồ bộ chia điện áp cách ly cơ bản như minh họa phía trên, một cách tiếp cận đơn giản để triển khai mạch ngắt tiếng (mute) trong audio là bật/tắt LED trong H11F1M một cách trực tiếp khi cần tắt tiếng.

Phương pháp đơn giản này thường đã đủ dùng cho hầu hết các ứng dụng. Ngoài ra, thay vì chuyển mạch cứng (hard switching), có thể sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển LED, giúp chuyển trạng thái mượt mà hơn.

Về mặt lý tưởng, ta muốn có Ron (điện trở dẫn khi bật) càng thấp càng tốt để đạt hiệu quả ngắt tiếng tối ưu, và Coff (điện dung khi tắt) càng thấp càng tốt để giảm thiểu sự lọc tín hiệu âm thanh. Theo như datasheet, Coff của H11F1M là 15 pF và Ron là 200 Ω.

Nhiều ứng dụng âm thanh tương tự yêu cầu độ méo tín hiệu thấp và khả năng xử lý tín hiệu biên độ lớn. Trong một bài viết sau, mình sẽ chia sẻ hướng dẫn về cách giảm thiểu méo tín hiệu cùng các phương pháp liên quan.

Tiếp theo, rẽ hướng một chút so với cách tiếp cận ban đầu, mình đã xây dựng một mạch thử nghiệm đơn giản để điều chỉnh hệ số khuếch đại (gain) thông qua điện áp điều khiển ngoài thay đổi. Thay vì sử dụng optocoupler FET H11F1M, phiên bản này sử dụng LCR-0202 Vactrol. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện bên dưới.

mạch điều chỉnh hệ số khuếch đại — **Hình 4** Mạch thử nghiệm đơn giản điều chỉnh hệ số khuếch đại bằng cách sử dụng điện áp điều khiển ngoài thay đổi.

Tôi đã lắp ráp mạch trên một breadboard nhỏ và nó hoạt động tốt. Trong thử nghiệm ban đầu, một sóng sin tần số 1 kHz (biên độ khoảng 100 mV) được áp vào chân đầu vào (IN), và các giá trị đầu ra được ghi lại tại chân OUT trong khi thay đổi điện áp điều khiển.

Kết quả cho thấy các giá trị đầu ra đo được gần như trùng khớp với các giá trị ước tính, qua đó xác nhận chức năng của mạch đã được kiểm chứng một cách tự thân. Ngoài ra, một Vactrol tự chế — gồm một LED hổ phách 5 mm và một quang trở (LDR) 5 mm — cũng đã được thử nghiệm thành công với mạch này và hoạt động như mong đợi.

Tóm lại, bài viết này đã chia sẻ một số gợi ý thực tế về cách điều khiển biến trở từ xa bằng điện áp. Hãy lấy những gì khơi gợi trí tò mò của bạn từ đây. Nếu có cơ hội, tôi rất muốn khám phá thêm một vài dự án âm thanh sáng tạo được truyền cảm hứng từ những khái niệm này.