Đồ án môn học điện tử tương tự và điện tử số (ee2111) thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại tự bật tắt đèn khi trời sang tối

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ***** ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ VÀ ĐIỆN TỬ SỐ (EE2111) Thiết kế mạch cảm biến hồng ngoại tự bật tắt đèn trời sang tối Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Cảnh Quang Nhóm sinh viên thực (nhóm 13): Tên thành viên MSSV Bùi Thúy Hằng Sầm Đỗ Đức Anh 20202072 Tạ Mạnh Quyền 20202276 Trần Ngọc Sơn 20191610 Nguyễn Tiến Mạnh 20202154 Hà Nội, tháng năm 2023 Lời nói đầu Hiện nay, thiết bị, động điện ln có phận quan trọng ắc quy tích điện Để cho động hoạt động tốt địi hỏi cần có ác quy ổn định Ắc quy làm từ chất liệu độc hại, gây ô nhiễm với môi trường chì, axit…và giá để sản xuất ác quy cịn cao Mà q trình vận hành ắc quy cung cấp lượng cho thiết bị, để tránh việc cần phải thay ắc quy ta tái sử dụng việc cấp lại phần lượng ta cần sạc điện cho ắc quy Câu hỏi đặt việc sạc ác quy hiệu nhất, an toàn tránh việc ác quy nhanh hỏng, bị chai để ác quy có tuổi thọ kéo dài Để giải vấn đề nhóm em tìm giải pháp thiết kế mạch sạc ắc quy tự ngắt đầy hiển thị dung lượng pin qua đèn LED với mục đích bảo vệ ắc quy tăng thời gian sử dụng Để thực ý tưởng chúng em tìm tịi nghiên cứu kiến thức IC, điốt, điện trở, máy biến áp, tranzitor… kế hợp với kiến thức môn học điện tử tương tự điện tử số Chương 1: Các phương pháp giải vấn đề 1.1 Vấn đề: Hiện loại ác quy thường khơng tích hợp thiết bị bảo vệ ác quy nên ác quy sạc đầy ta không ngắt mạch mà tiếp tục sạc dễ gây tượng chai ác quy giảm khả tích điện ác quy, sau thời gian ác quy bị hỏng hoàn tồn 1.2 Hướng giải quyết: Cần tích hợp mạch sạc tự ngắt ác quy đầy 1.3 Các phương án giải quyết:  Mạch sạc dùng role để ngắt  Dùng tổ hợp Điốt  Dùng IC chuyên dùng Chương 2: Sơ đồ khối tổng quan mạch 2.1 Sơ đồ khối khối mạch: 2.2 Khối nguồn: 2.2.1 Chức năng: Khối nguồn có chức cung cấp trì điện cho tồn mạch 2.2.2 Cấu tạo: Bao gồm:  Máy biến áp  Mạch chỉnh lưu 2.2.3 Nguyên lý hoạt động: Dòng điện vào 220 V qua biến áp tự ngẫu hạ xuống xoay chiều 12V Qua điot chỉnh lưu dòng xoay chiều sang dòng chiều 12v dùng tụ C 1000 µf để san phẳng 2.3 Khối điều khiển: 2.3.1 Chức Điều khiển mạch sạc cách dùng ic tranzitor để đóng ngắt rơ le, ngắt điện cung cấp vào mạch bảo vệ ắc quy 2.3.2 Cấu tạo: Bao gồm: - Tranzitor BJT BC547 - Rơ-le - IC 555 - IC ổn áp 7812 Được mắc sơ đồ sau: 2.3.3 Nguyên lý hoạt động: IC 555 so sánh điện áp acquy với điện áp nguồn sạc thấp xuất dịng mở khóa rơle thơng qua Tranzitor BJT BC547 2.4 Đầu ra: Chức năng: đầu điện để sạc cho acquy- pin Chương 3: Thiết kế chi tiết Sử dụng IC có chức so sánh đầu vào So sánh điện áp phân áp ắc quy nối vào mạch điện áp cố định phân áp sẵn Đầu IC khuếch đại, sử dụng khóa tranzitor để ngắt thơng dịng điện qua rơ – le Rơ – le có nhiệm vụ ngắt dòng cung cấp từ biến áp vào mạch 3.1 Thiết kế nguồn: Yêu cầu nguồn: nguồn sạc acquy điện áp vào xoay chiều 220V điện áp chiều 12V : Dùng diote D1,D2 D3 D4 chỉnh lưu dòng xoay chiều sang chiều Sơ đồ mạch nguồn Chi tiết a Máy biến áp tự ngẫu: đầu vào 220 V 110 V - đầu ±12 V b Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: sử dụng diote để biến dòng xoay chiều dòng chiều dạng sóng c Mạch lọc: dùng tụ hóa có điện dung cao giá thành vừa phải để san điện áp 3.2 Thiết kế mạch điều khiển: Nguyên lý: sử dụng IC 555 so sánh điện áp điều khiển rơ-le đóng mở nguồn 3.2.1 Rơ le: - Rơ le (relay) công tắc chuyển đổi hoạt động điện gồm hai trạng thái ON OFF Rơ le trang thái On hay OFF phụ thuộc vào có dịng điện chạy qua rơ le hay khơng - Ngun lý hoạt động: Khi có dịng điện chạy qua rơ le, dòng điện chạy qua cuộn dây bên tạo từ trường hút Từ trường hút tác động lên đòn bẩy bên làm đóng mở tiếp điểm điện làm thay đổi trạng thái rơ le Số tiếp điểm điện bị thay đổi nhiều, tùy vào thiết kế Rơ le có mạch độc lập họạt động Một mạch để điều khiển cuộn dây rơ le: Cho dịng chạy qua cuộn dây hay khơng, hay có nghĩa điều khiển rơ le trạng thái ON hay OFF Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm sốt có qua rơ le hay khơng dựa vào trạng thái ON hay OFF rơ le Dòng chạy qua cuộn dây để điều khiển rơ-le ON hay OFF thường vào khoảng 30mA với điện áp 12V lên tới 100mA Do hầu hết chip khơng thể cung cấp dịng này, nên ta cần có BJT để khuếch đại dịng nhỏ ngõ IC thành dòng lớn phục vụ cho rơ-le Trên rơ le có kí hiệu là: NO, NC COM +COM (common): chân chung, ln kết nối với chân lại Cịn việc kết nối chung với chân phụ thuộc vào trạng thái hoạt động rơ le +NC (Normally Closed): Nghĩa bình thường đóng Nghĩa rơ le trạng thái OFF, chân COM nối với chân +NO (Normally Open): Khi rơ le trạng thái ON (có dịng chạy qua cuộn dây) chân COM nối với chân => Kết nối COM NC bạn muốn có dòng điện cần điều khiển rơ le trạng thái OFF Và rơ le ON dịng bị ngắt => Ngược lại nối COM NO 3.2.1.1 Chọn rơ le phù hợp: Mục đích cung cấp điện áp để sạc acquy 12v nên ta chọn loại rơ-le có điện áp điều khiển cuộn dây rơ-le 12V số tiếp điểm chân 3.2.1.2 Diod bảo vệ rơ le: Mạch rơ le có diod bảo vệ Rơ le hoạt động dựa dòng điện chảy qua cuộn cảm đề tạo lực hút điền khiển đóng, mở tiếp điểm Và OFF đột ngột cuộn cảm nguyên nhân làm hỏng BJT IC 3.2.2 IC 555: Nhóm em chọn IC 555 IC hỗ trợ điện áp từ 2V đến ±18V, phù hợp với việc sử dụng mạch sạc ắc quy có điện áp 12V Vì cần chức so sánh nên ứng dụng IC 555 đủ để sử dụng IC 555 Lược đồ IC 555 Trong mạch nguyên lý đồ án nhóm em sử dụng, giải thích hoạt động ic 555 sau: điện trở R3, R4, R5 có vai trị chia điện áp Vcc Op-amp U2:A chế độ so sánh khơng đảo, so sánh áp “threshold” với áp , cịn U2:B chế độ so sánh đảo, so sánh áp “trigger” với áp, ngõ op-amp đưa vào ngõ vào R S RS Latch RS Latch có ngõ vào reset R mà tác động mức điện áp thấp vào (0V) ngõ RS Latch reset Có thể dễ dàng thấy ngõ O/P RS Latch có chức kích hoạt ngắt dẫn Transistor nhờ vào mức điện áp thấp cao mà suất Thành phần ic 7404 (U4:A) có tác dụng đảo mức điện áp ngõ O/P, đưa điện áp ngõ Q (chân Q IC 555) Điện áp vào chân TH điều chỉnh biến trở RV1 điện áp vào chân TR phân áp cố định điện trở R4 cho:  Khi điện áp vào TH lớn 2/3 Vcc, ngõ suất điện áp mức cao đưa vào ngõ R, ngõ Q xuống mức Khi đầu chân Q khơng có tín hiệu xử lý khóa tranzitor Đèn led lúc tắt  Khi điện áp vào TR nhỏ 1/3 Vcc, ngõ suất điện áp mức cao đưa vào ngõ R, ngõ Q lên mức cao làm led gắn với sáng Khi có tín hiệu chân Q, khóa tranzitor mở thơng mạch rơ le, rơ le đóng lại Mạch cung cấp nguồn sạc Tranzitor BC547 3.2.3 Transistor BC547: Transistor BC547 có đặc tính dịng DC ổn định, hệ số khuếch đại tuyến tính, transistor thông dụng, đươc sử dụng nhiều mạch điện tử Cấu tạo transistor có chân: * Chân E (Emitter) là chân dùng để phun các hạt mang điện Với transistor NPN, chân E phun dòng điện tử và với transistor PNP chân E phun dòng lỗ (dòng lỗ chuyển động biểu kiến của các hạt điện tử chuyển dời các nối trống) * Chân C (Collector) là chân dùng để thu gôm các hạt điện phun từ chân E Với transistor NPN, nó thu gôm các hạt điện tử và với transistor PNP nó thu gom các hạt lỗ * Chân B (Base) là chân dùng để điều khiển dòng điện chảy transistor, chảy từ chân E vào chân C Khi dùng transistor làm linh kiện khuếch đại tín hiệu, chúng ta cho phân cực thuận mối nối B-E và phân cực nghịch mối nối B-C Lúc này tín hiệu đưa vào mức áp tăng giảm hân B, tác động vào dịng chảy transistor, tín hiệu lấy chân E hay chân C Chức khuếch đại BJT Dòng điện bên chân B rất nhỏ, nó có thể điều khiển dòng điện rất lớn bên chân C, đó chính là tính khuếch đại của các transistor Chúng ta đưa một tín hiệu có công suất nhỏ vào chân B, chúng ta có thể nhận được một tín hiệu lớn hơn, mạnh chân C Do đo, chân B gọi ngả vào chân C ngả Khi dùng một transistor làm tầng khuếch đại, chúng ta thường thiết kế theo trình tự sau: Thứ nhất: Phải lấy đúng phân cực DC Với transistor NPN, mức volt chân B cao E khoảng một diode, mức volt chân C phải cao chân B Thứ hai: Tìm cách đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại và tìm cách thu lại tín hiệu ở ngả Có các kiểu vào sau: * Cho tín hiệu vào chân B và lấy tín hiệu chân C * Cho tín hiệu vào chân B và lấy tín hiệu chân E * Cho tín hiệu vào chân E và lấy tín hiệu chân C Vậy chân B là ngả vào và chân C là ngả ra, chỉ có chân E có thể lúc làm ngả vào và lúc làm ngả Thứ ba: Dùng kỹ thuật hồi tiếp để hoàn thiện mạch khuếch đại Trong yêu cầu đề tài, dùng transistor kết hợp với rơ-le để đóng ngắt điện nạp cho ác quy Mạch khóa điện tử transistor relay Ngun lý hoạt động: Nếu khơng có tín hiệu vào R2 (chân B transistor) transistor tắt, khơng có dịng chạy qua rơ le, rơ le trạng thái tắt Và bạn thấy mạch dịng điện cần điều khiển khơng chạy qua rơ le Nếu có tín hiệu vào R2, transistor dẫn Lúc có dịng chạy qua rơ le, rơ le hoạt động, làm đóng tiếp điểm thường mở rơ le, dòng điện cần điều khiển chạy qua rơ le Vì ta dùng transistor để khuếch đại dịng tín hiệu nhỏ cung cấp cho rơ le MẠCH NGUYÊN LÝ Chương 4: Kết quả, hướng phát triển tương lai Kết chạy thử nghiệm: Khi sạc: Khi pin đầy: So sánh với lý thuyết: Xu hướng phát triển tương lai: Sản phẩm có kích thước cịn lớn thơ sơ, chưa có hộp bảo vệ Hướng giải quyết: - Tối ưu mạch, sử dụng linh kiện dán mạch in thay để giảm kích thước sản phẩm - Thiết kế hộp bảo vệ, nâng cao độ an toàn sử dụng Chưa điều chỉnh điện áp nên chưa thể tích hợp nhiều chân sạc cho nhiều thiết bị Xu hướng phát triển: Tìm cách biển đổi điện áp ra: “ Giá thành sản phẩm cao”