Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÍ BÁN DẪN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU VỀ QUANG TRỞ LỚP L03 NHÓM 3 Giảng viên hướng dẫn Thầy Trần Hoàng Linh Sinh[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN VẬT LÍ BÁN DẪN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ QUANG TRỞ LỚP - L03 - NHÓM Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trần Hoàng Linh Sinh viên thực Mã số sinh viên Phạm Văn Thắng 2012081 Nguyễn Võ Thành Vinh 2015072 Nguyễn Hoàng Nguyên 2013921 Vũ Thị Ngọc Lan Hồ Huy Hồng 2011506 2013221 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 h MỤC LỤC I PHẦN MỞ ĐẦU………………………………………………………… 1.Đề tài……………………………………………………………………….3 2.Giải thích………………………………………………………………… II.PHẦN NỘI DUNG……………………………………………… ….… Khái niệm quang trở……………………………………… ………… 2.Cấu tạo quang trở……………………………………………………… 3.Cấu tạo quang trở……………………………………………………… 4.Nguyên liệu chế tạo……………………………………………………….8 5.Ứng dụng………………………………………………………………….9 6.Giới thiệu loại quang trở phổ biến…………………………………… 13 III TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… 14 h I PHẦN MỞ ĐẦU: 1.Đề tài: Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở LDR để tự động bật tắt bóng đèn 2.Giải thích lựa chọn đề tài: - Trong sống ngày nay, điện phần thiếu Hầu hết đồ dùng gia đình, thiết bị chiếu sáng, máy móc cơng nghiệp sử dụng điện - Với nhu cầu người ngày tăng, đặt nhiều vấn đề cần giải thiết bị thông minh tiện lợi tiết kiệm tối ưu nguồn lượng điện Vì chúng em thực đề tài nhằm mục đích đảm bảo nhu cầu ánh sáng cần thiết mà tiện lợi tiết kiệm tối đa nguồn điện h II PHẦN NỘI DUNG: Quang trở a Nguồn gốc: Những ý tưởng quang trở phát triển Willoughby Smith khám phá tượng quang dẫn Selenium(Se) vào năm 1873 Sau nhiều biến thể dụng cụ quang dẫn tạo quang trở số b Khái niệm: - Quang trở (LDR : Light-dependent resistor): là linh kiện điện tử được chế tạo chất đặc biệt có điện trở thay đổi giảm theo mức ánh sáng chiếu vào - Ký hiệu sơ đồ mạch điện: Cấu tạo quang trở - Cấu tạo quang trở gồm: phần phần phần màng kim loại đấu nối với thông qua đầu cực - Linh kiện thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa với màng kim loại đặt hộp nhựa giúp tiếp xúc với ánh sáng cảm nhận thay đổi cường độ ánh sáng (Quang trở LDR) h Nguyên lý hoạt động: a Nguyên lý hoạt động - Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất Khi photon có lượng đủ lớn đập vào, làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự khối chất làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ Như ta biết electron hóa trị electron nằm lớp ngồi nguyên tử liên kết chúng với hạt nhân lỏng lẻo Điều có nghĩa cần kích thích chúng với lượng lượng nhỏ kéo khỏi quỹ đạo -Mặt khác, electron tự electron thoát khỏi nguyên tử có khả di chuyển tự bị ngoại lực tác động vào điện áp, từ trường Khi tác động ngoại lực vào khiến cho electron hóa trị bị bứt khỏi quỹ đạo trở thành electron tự di chuyển tự áp điện trường Năng lượng để tách electron hóa trị khỏi quỹ đạo ánh sáng -Đây nguyên lí sử dụng quang trở Ánh sáng chiếu vào vật liệu quang dẫn hấp thụ cung cấp cho việc tách electron hóa trị khỏi hạt nhân chuyển hóa thành electron tự - Khi tăng cường độ ánh sáng chiếu số lượng electron hóa trị nhận lượng phá vỡ liên kết với hạt nhân tăng Điều dẫn đến số lượng lớn electron hóa trị nhảy đến dải dẫn nhờ độ dẫn điện linh kiện tăng điện trở giảm h -Quang trở làm chất bán dẫn có trở kháng mà khơng cần chuyển tiếp PN Do đó, quang trở linh kiện thụ động Quang trở chia làm loại: + Quang trở nội (Intrinsic Photoresistor): Như học “nội tại” thường nhắc đến chất bán dẫn mà không pha tạp chất Quang trở nội làm vật liệu bán dẫn Silicon hay Germanium + Quang trở lai tạp (Extrinsic Photoresistor): Như tên nó, quang trở lai tạp pha thêm tạp chất(dopants) để tăng hiệu suất Tạp chất thêm vào phải nông không bị ion hóa ánh sáng Điều làm khác so với quang trở nội dopants tạo dải lượng nằm phía dải hóa trị Điều làm hẹp khoảng cách khe lượng(band gap) có nghĩa chúng cần lượng để kích thích electron từ dải hóa trị sang dải dẫn - Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác với bước sóng photon khác Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên tránh thay đổi nhanh nguồn sáng - Cảm biến quang điện trở sử dụng phổ biến tế bào quang dẫn ORP12 Cadmium Sulphide Điện trở phụ thuộc ánh sáng có phản ứng quang phổ khoảng 610nm vùng ánh sáng màu vàng đến màu da cam Điện trở tế bào không chiếu sáng (điện trở tối) cao vào khoảng 10MΩ, giảm xuống khoảng 100Ω chiếu sáng đầy đủ (điện trở sáng) - Khi tăng độ tối dẫn tới tăng điện trở, đường dẫn điện trở tạo thành mơ hình ngoằn ngoèo ceramic Tế bào quang điện CdS thiết bị chi phí thấp thường sử dụng để tự động làm mờ, phát bóng tối chạng vạng để bật đèn đường “ON” “OFF” cho ứng dụng loại máy đo độ phơi sáng Kết nối nối tiếp điện trở phụ thuộc ánh sáng với điện trở tiêu chuẩn điện áp cung cấp chiều có lợi lớn, điện áp khác xuất đường giao chúng cho mức ánh sáng khác h -Kết nối nối tiếp điện trở phụ thuộc ánh sáng với điện trở tiêu chuẩn điện áp cung cấp chiều có lợi lớn, điện áp khác xuất đường giao chúng cho mức ánh sáng khác -Lượng điện áp rơi điện trở nối tiếp, R2 xác định giá trị điện trở điện trở phụ thuộc ánh sáng, RLDR Khả tạo điện áp khác tạo mạch tiện dụng gọi “Potential Divider” or Voltage Divider Network -Như biết, dòng điện qua mạch nối tiếp phổ biến LDR thay đổi giá trị điện trở cường độ ánh sáng, điện áp V OUT xác định công thức phân áp Điện trở LDR, R LDR thay đổi từ khoảng 100Ω ánh sáng mặt trời đến 10MΩ bóng tối tuyệt biến đổi điện trở chuyển đổi thành thay đổi điện áp VOUT minh họa h Hiểu cách đơn giản quang trở thiết bị điện thay đổi điện trở theo ánh sáng Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức vài trăm Ω b Ví dụ mạch đơn giản có quang trở: + Gồm nguồn pin, quang trở LED Mạch giúp ta hình dung rõ cách hoạt động LDR tác dụng điện trường -Trường hợp 1: Khơng có ánh sách chiếu vào LDR + Dĩ nhiên khơng có ánh sáng cho LDR hấp thụ, khơng có electron tự Vì cho dù áp điện trường khơng có electron tự nên khơng có dịng điện qua LED tắt -Trường hợp 2: Ánh sáng chiếu vào LDR + Ngược lại với trường hợp với cách giải thích tương tự, LED sáng Nguyên liệu chế tạo quang trở - Vật liệu sử dụng làm chất bán dẫn bao gồm, chì sulphide (PbS), chì selenua (PbSe), indium antimonide (InSb) phát ánh sáng phạm vi tia hồng ngoại với loại sử dụng phổ biến tất cảm biến ánh sáng phản xạ quang Cadmium Sulphide (Cds) - Cadmium sulphide sử dụng sản xuất tế bào quang dẫn đường cong phản ứng quang phổ gần giống với đường cong mắt người chí điều khiển cách sử dụng đuốc đơn giản làm nguồn sáng Thơng thường, có bước sóng độ nhạy cực đại (λp) khoảng từ 560nm đến 600nm dải quang phổ khả kiến - Cadimi sunfua (CdS) và Cadimi selenua (CdSe), châu Âu cấm dùng cadmi - Chì(II) sunfua (PbS) và Indi antimonua (InSb) sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại h - Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại Ứng dụng quang trở a Ứng dụng quang trở thiết bị: - Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng, dàn nhạc có guitar điện dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh.Trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu chế tạo thành photocell làm cảm biến ảnh (Đèn ngủ tự phát sáng) b Một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản Mạch báo động sử dụng quang trở - Khi quang trở chiếu sáng điện trở lúc nhỏ, điện áp cổng lúc SCR giảm khơng đủ dịng để kích SCR hoạt động Khi khơng có nguồn sáng chiếu vào giá trị R quang trở tăng nhanh, khiến cho điện áp cổng h SCR tăng làm cho SCR dẫn điện, dòng điện lúc qua tải làm cho mạch báo động hoạt động. 2.Công tắc LDR -Một ứng dụng đơn giản quang trở, công tắc nhạy sáng hình Mạch cảm biến ánh sáng cơng tắc kích hoạt ánh sáng đầu rơ le Một mạch phân chia điện hình thành điện trở quang, LDR điện trở R Khi khơng có ánh sáng, tức bóng tối, điện trở LDR cao phạm vi MΩ phân cực sở khơng áp dụng cho bóng bán dẫn TR1 rơle bị khử lượng “OFF” -Khi mức độ ánh sáng tăng, điện trở LDR bắt đầu giảm khiến điện áp phân cực V tăng lên Tại số điểm xác định mạng phân chia tiềm hình thành với điện trở R , điện áp phân cực sở đủ cao để chuyển bóng bán dẫn TR1 “ON” kích hoạt rơle sử dụng để điều khiển số mạch bên Khi mức ánh sáng giảm trở lại bóng tối lần nữa, điện trở LDR tăng lên làm cho điện áp bóng bán dẫn giảm xuống, chuyển bóng bán dẫn rơle “OFF” mức sáng cố định xác định lại mạng phân chia điện -Bằng cách thay điện trở cố định R chiết áp VR1, rơle chuyển sang trạng thái “ON” “OFF” đặt trước mức ánh sáng cụ thể Loại mạch đơn giản trình bày có độ nhạy thấp điểm chuyển mạch khơng quán thay đổi nhiệt độ điện áp nguồn Có thể dễ dàng thực mạch kích hoạt ánh sáng xác nhạy 10 h cách kết hợp LDR vào bố trí “Wheatstone Bridge” thay bóng bán dẫn Bộ khuếch đại hoạt động minh họa Mạch mở đèn điện tự động đêm Mạch dèn tự động sử dụng quang trở - Khi ban ngày với ánh sáng chiếu vào quang trở giá trị điện trở lúc nhỏ nên điện điểm A1 không đủ để mở Diac nên điện qua chân điều khiển Triac nên Triac không hoạt động, dẫn đến đèn không sáng. - Về đêm, khơng có ánh sáng chiếu vào quang trở, giá trị lúc tăng lên làm cho điện áp điểm A1 tăng, mở thông Diac kích cho Triac dẫn điện bóng đèn sáng. Mạch cảm biến mức độ ánh sáng 11 h - Trong mạch cảm biến bóng tối này, điện trở phụ thuộc ánh sáng LDR chiết áp VR tạo thành nhánh điều chỉnh mạng cầu điện trở đơn giản, gọi Wheatstone Bridge, hai điện trở cố định R R tạo thành nhánh Cả hai bên cầu tạo thành mạng phân chia điện áp cung cấp có đầu V V kết nối tương ứng với đầu vào điện áp chiều xoay chiều khuếch đại hoạt động - Bộ khuếch đại hoạt động định cấu hình khuếch đại vi sai cịn gọi so sánh điện áp với phản hồi có điều kiện điện áp đầu xác định khác biệt hai tín hiệu đầu vào điện áp, V V Sự kết hợp điện trở R R tạo thành tham chiếu điện áp cố định đầu vào V , thiết lập tỷ số hai điện trở Sự kết hợp LDR - VR cung cấp đầu vào điện áp thay đổi V tỷ lệ với mức ánh sáng phát điện trở quang - Như với mạch trước, đầu từ khuếch đại hoạt động sử dụng để điều khiển rơle, bảo vệ diode tự do, D Khi mức ánh sáng LDR cảm nhận điện áp đầu giảm xuống điện áp tham chiếu đặt V , đầu từ op-amp thay đổi trạng thái kích hoạt rơle chuyển tải kết nối - Tương tự vậy, mức độ ánh sáng tăng, đầu chuyển trở lại, tắt "OFF" rơle Độ trễ hai điểm chuyển mạch thiết lập điện trở phản hồi R F chọn để cung cấp độ lợi điện áp thích hợp khuếch đại - Hoạt động loại mạch cảm biến ánh sáng đảo ngược để chuyển rơ le “ON” mức sáng vượt mức điện áp tham chiếu ngược lại cách đảo ngược vị trí cảm biến ánh sáng LDR chiết áp VR Chiết áp sử dụng để “pre-set” điểm chuyển mạch khuếch đại vi sai thành mức ánh sáng cụ thể nào, khiến trở nên lý tưởng mạch dự án cảm biến ánh sáng đơn giản 12 h Giới thiệu loại quang trở phổ biến: Gowoops 10 PCS of Digital Light Intensity Detection Photosensitive Sensor Module for Arduino UNO Đặc tính Sử dụng cảm biến điện trở cảm quang loại nhạy Tín hiệu đầu so sánh dạng sóng tốt, khả lái xe, 15mA Với chiết áp điều chỉnh điều chỉnh độ sáng ánh sáng phát Điện áp làm việc 3.3V-5V, định dạng đầu ra: Đầu chuyển mạch kỹ thuật số (0 1) Ứng dụng: Phát cường độ ánh sáng, mô-đun đèn xe thơng minh, có định hướng, cảm nhận nguồn sáng phía trước cảm biến, tốt để sử dụng cho ánh sáng tìm kiếm Tính mơ-đun: 1.Có thể phát độ sáng cường độ ánh sáng xung quanh (so với quang điện trở, mơ-đun có định hướng tốt hơn, cảm nhận ánh sáng theo hướng cố định) 2.Điều chỉnh độ nhạy (sử dụng chiết áp kỹ thuật số màu xanh lam để điều chỉnh) 3.Điện áp hoạt động: 3.3V-5V 4.Có lỗ bu lơng cố định để dễ dàng lắp đặt 5.PCB Kích thước: 3.2cm * 1.4cm Hướng dẫn Mô-đun: Mô-đun photodiode nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường, thường sử dụng để phát độ sáng cường độ ánh sáng xung quanh, phổ biến với mô-đun cảm biến điện trở cảm quang hầu hết trường hợp, khác biệt hai mô-đun mơ-đun Photodiode có hướng tốt hơn, cảm nhận ánh sáng theo hướng cố định Khi cường độ ánh sáng xung quanh không đạt đến giá trị ngưỡng, cổng DO mô-đun xuất cao; cường độ ánh sáng xung quanh vượt ngưỡng đặt, đầu D0 thấp 13 h Đầu kỹ thuật số D0 kết nối trực tiếp với vi điều khiển thông qua vi điều khiển để phát cao thấp, từ phát thay đổi cường độ ánh sáng môi trường; Đầu tương tự q trình chuyển đổi AD, đạt độ xác cao III.TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1: https://www.electronics-tutorials.ws/ 2: https://www.circuitstoday.com 3: https://www.elprocus.com 14 h