Kỹ Thuật - Công Nghệ - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Cơ khí - Vật liệu UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH ---------- NGUYỄN HỮU KHUYNH LẮP RÁP MẠCH CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS DÙNG CẢM BIẾN MQ2 VÀ IC NE555 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Quảng Nam, tháng 5 năm 2017 UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH ---------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: LẮP RÁP MẠCH CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS DÙNG CẢM BIẾN MQ2 VÀ IC NE555 Sinh viên thực hiện NGUYỄN HỮU KHUYNH MSSV: 2113010218 CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÍ KHÓA 2013 – 2017 Cán bộ hướng dẫn ThS. NGÔ THỊ HỒNG NGA MSCB: ……… 1 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Ngô Thị Hồng Nga đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp. Em chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Lý-Hóa-Sinh Trường Đại Học Quảng Nam đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quí báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô trong khoa Lý-Hóa-Sinh và thầy hiệu trưởng trường Đại Học Quảng Nam thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong khóa luận có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong khóa luận do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. 3 DANH MỤC VIẾT TẮT FF: Flip-Flop Nguồn DC: nguồn một chiều Q1 : Tranzitor A1015 Q2 : Tranzitor C1815 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. Lí do chọn đề tài Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ việc ứng dụng các hệ thống chúng ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn giản như: điều khiển đèn LED, bật tắt thiết bị điện tử… cho đến những ứng dụng cho xã hội như: điều khiển giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động…cho đến những ứng dụng lớn như Robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhân…Các hệ thống trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, relay cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động chạy bằng các chốt cơ khí… Với những kiến thức đã học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệ của cuộc sống hiện đại, em củng muốn góp phần phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm có ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “ Lắp ráp mạch báo rò rĩ khí Gas bằng cảm biến MQ2 và IC NE555” Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn. Mạch phát hiện rò rĩ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra. Mục tiêu của đề tài Tìm hiểu về cảm biến MQ2, IC NE555 và lắp ráp mạch báo rò rỉ khí Gas . 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các linh kiện điện tử và IC NE555 và cảm biến MQ2 Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu về IC NE555, cảm biến MQ2 và mạch báo rò rỉ khí Gas. 1.3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết: tổng hợp và phân tích lí thuyết dựa trên sách, vở, giáo trình, trang web… để hiểu rõ về các linh kiện, hiểu được nguyên lí hoạt động của mạch báo rò rỉ khí Gas. Hiểu được phần mềm để mô phỏng mạch. 2 - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hành lắp ráp mạch điện tử sử dụng IC NE555 và cảm biến MQ2 trên thực tế. 1.4. Lịch sử nghiên cứu Từ trước đến nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu về cảm biến MQ2 và IC 555. - Luận văn tốt nghiệp, đề tài: “Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó” của sinh viên Phạm Thị Huyền Trang trường đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. - Bài nghiên cứu, đề tài: “Cảm biến MQ2 và ứng dụng vào cuộc sống”. Với đề tài của mình, tôi kế thừa những cơ sở lí luận của các công trình nghiên cứu trước đây. Từ đó tìm hiểu và xây dựng mạch báo rò rỉ khí Gas dùng cảm biến MQ2 và IC NE555. 1.5. Đóng góp của đề tài - Với đề tài này giúp cho các sinh viên hiểu rõ về IC NE555, cảm biến MQ2 và ứng dụng của chúng vào trong cuộc sống. - “Mạch báo rò rỉ khí Gas” rất hữu ích trong các gia đình, mạch này được ứng dụng vào trong công nghiệp để dự báo sớm nhất để tránh gây cháy nổ. 1.6. Cấu trúc của đề tài PHẦN 1: MỞ ĐẦU PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ IC NE555 VÀ CẢM BIẾN MQ2 VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH BÁO RÒ RỈ KHÍ GA BẰNG PHẦN MỀM VÀ MẠCH THỰC TẾ PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1. Linh kiện điện tử thụ động 1.1.1. Điện trở Khái niệm: Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở vô cùng lớn. 1.1.1.1. Ký hiệu, phân loại, cấu tạo a. Điện trở của dây dẫn: Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, độ dài và tiết diện của dây được tính theo công thức sau: S L R Trong đó: ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu (Ωm) L là chiều dài dây dẫn (m) S là tiết diện dây dẫn (m 2 ) R là điện trở đơn vị là (Ω-Ohm) b. Điện trở trong thiết bị điện tử: Điện trở được làm từ các hợp chất kim loại, tùy theo tỉ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau. - Kí hiệu: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 1.1: Ký hiệu điện trở - Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ, trong đó: 1KΩ = 1000Ω; 1MΩ = 1000000Ω. - Phân loại: các loại điện trở trong các mạch điện tử có thể phân loại theo công suất, theo độ chính xác, theo vật liệu chế tạo, theo hình dáng... Nếu phân loại theo công suất thì có các loại như sau: + Loại 1: các điện trở công suất lớn hơn 2W trở lên. Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ... 4 Hình 1.2: Hình dáng thực của một điện trở công suất + Loại 2: Điện trở thường là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W Hình 1.3: Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu + Loại 3: Các điện trở có công suất và kích thước rất nhỏ (loại điện trở dán SMD) Hình 1.4: Cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD 1.1.1.2. Cách đọc, đo và cách mắc điện trở a. Đọc giá trị - Loại1: thì trị số điện trởcông suất thường được ghi trực tiếp trên thân. - Loại 2: điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng màu, điện trở chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng màu. Giá trị điện trở được tính theo quy ước quốc tế. Bảng 1: Bảng quy ước màu điện trở Màu Giá trị hàng trăm-chục-đơn vị Số nhân Sai số Đen 0 10 0 20 Nâu 1 10 1 1 Đỏ 2 10 2 2 Cam 3 10 3 - Vàng 4 10 4 - Lục 5 10 5 - Lam 6 10 6 - Tím 7 10 7 - 5 Xám 8 10 8 - Trắng 9 10 9 - Vàng kim - 10-1 5 Bạch kim - 10-2 10 Không màu - 20 - Loại 3: điện trở dán SMD có giá trị là: 4710 3 = 47000Ω = 47KΩ có giá trị là: 47310 2 = 47200Ω =47.2KΩ Hình 1.5: Cách đọc giá trị điện trở SMD - Đối với loại 4 vòng màu thì: vòng 1 là số hàng chục, vòng 2 là số hàng đơn vị, vòng 3 là số nhân và vòng 4 là sai số. Giá trị R xác định như sau: R = (vòng 1)(vòng 2) 10 (vòng 3) (vòng 4) - Đối với loại 5 vòng màu thì: vòng 1 là số hàng trăm, vòng 2 là số hàng chục, vòng 3 là số hàng đơn vị, vòng 4 là số nhân và vòng 5 là sai số. Giá trị R xác định như sau: R = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) 10 (vòng 4) (vòng 5) b. Cách mắc điện trở - Mắc kiểu nối tiếp 2 điện trở R1 và R2 được một điện trở tương đương R: R = R1+R2 Hình 1.6: (a) Điện trở mắc nối tiếp - Mắc kiểu song song 2 điện trở được một điện trở tương đương R: R1 180R R2 180R 6 R 1 = 1 1 R + 2 1 R Hình 1.6(b) Điện trở mắ c song song c. Công suất của điện trở Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công suất P tính được theo công thức : R 2 2 I R U UIP - Theo công thức trên ta thấy, công suất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở. - Công suất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trước khi lắp điện trở vào mạch. - Nếu đem một điện trở có công suất danh định nhỏ hơn công suất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy. - Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công suất danh định > = 2 lần công suất mà nó sẽ tiêu thụ. 1.1.1.3. Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng a. Biến trở Là điện trở có thể chỉnh để thay đổi giá trị, có ký hiệu là VR chúng có hình dạng như sau : R3 10k R4 10k 7 Hình 1.7: Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở b. Điện trở gói (thanh) Nhiều điện trở được đóng gói thành chung một khối. Mỗi điện trở bên trong có giá trị bằng nhau và bằng giá trị ghi trên gói. Kí hiệu trên sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 1.8: Ký hiệu và một hình ảnh thực của điện trở thanh R4 1k R3 1k R2 1k R1 1k 8 c. Ứng dụng của điện trở Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau: - Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp. - Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước. 1.1.2. Tụ điện Khái niệm: Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv... 1.1.2.1. Ký hiệu, phân loại, cấu tạo a. Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor). Thông thường nếu là tụ có cực tính thì trên ký hiệu sẽ có sự khác nhau giữa hai bản tụ. Ngược lại, tụ không có cực tính thì trên ký hiệu hai bản tụ giống nhau. Hình 1.9: Ký hiệu của tụ điện b. Cấu tạo của tụ điện: - Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. - Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như tụ giấy, tụ gốm, tụ hoá. + + 9 a) b) Hình 1.10: Cấu tạo của tụ điện gốm(a) và tụ hoá(b) Hình 1.11: Hình ảnh thực của tụ gốm Hình 1.12: Hình dạng và kích thước của tụ hoá 1.1.2.2. Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện. a. Đọc giá trị - Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức C = ξ . S d 10 Trong đó: C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d : là chiều dày của lớp cách điện. S : là diện tích bản cực của tụ điện. Đơn vị điện dung của tụ: Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (μF), NanoFara (nF), PicoFara (pF). 1 F = 1000 mF 1 mF = 1000 uF 1 uF = 1000 nF 1 nF = 1000pF - Với tụ hoá: Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ => Tụ hoá là tụ có phân cực (-) , (+) và luôn luôn có hình trụ Hình 1.13: Hình tụ hoá ghi điện dung là 185uFđiện áp 320V - Với tụ giấy, tụ gốm: Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu Hình 1.14: Hình tụ gốm và trị số bằng ký hiệu Cách đọc: Lấy hai chữ số đầu nhân với 10 (Mũ số thứ 3 ) Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5 hay 10 của tụ điện . - Tụ giấy và tụ gốm còn có một cách ghi trị số khác là ghi theo số thập phân và lấy đơn vị là MicroFara 11 Hình 1.15: Cách đọc giá trị tụ Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ: - Ta thấy rằng bất kể tụ điện nào cũng được ghi trị số điện áp ngay sau giá trị điện dung, đây chính là giá trị điện áp cực đại mà tụ chịu được, quá điện áp này tụ sẽ bị nổ. - Khi lắp tụ vào trong một mạch điện có điện áp là U thì bao giờ người ta cũng lắp tụ điện có giá trị điện áp cực đại ghi trên thân tụ cao gấp khoảng 1,4 lần. Phân loại : Tụ điện có nhiều loại như tụ giấy, tụ gốm, tụ mi ca, tụ hoá nhưng về tính chất thì ta phân tụ là hai loại chính là tụ không phân cực và tụ phân cực - Tụ giấy, tụ gốm, tụ mica. (tụ không phân cực ) Các loại tụ này không phân biệt cực tính âm dương của chân tụ và thường có điện dung nhỏ từ 0,47 μF trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu, mạch dao động... Hình 1.16: Vài loại tụ gốm - Tụ hoá (Tụ có phân cực) Tụ hoá là tụ có phân cực âm dương , tụ hoá có trị số lớn hơn và giá trị từ 0,47μF đến khoảng 4.700 μF, tụ hoá thường được sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặc dùng để lọc nguồn, tụ hoá luôn luôn có hình trụ.. 12 Hình 1.17: Tụ hoá có phân cực âm dương b. Đo tụ điện Có thể kiểm tra tụ điện bằng đồng hồ đo điện trở loại kim hoặc đồng hồ số (có chức năng kiểm tra tụ). Khi đồng hồ kim ở thang đo điện trở thì giữa que đen và que đỏ có tồn tại một điện áp (do pin bên trong đồng hồ đo). Que đen (+) và que đỏ (-). Ta dùng điện áp này để kiểm tra tính nạpphóng của tụ điện. Nếu tụ tốt thì tính nạpphóng thể hiện rõ. Khi đặt kim đồng hồ vào 2 chân của tụ điện kim đồng hồ chạy từ ∞Ω về phía 0Ω (đến S1), sau đó kim chạy lùi lại về phía ∞Ω (đến S2). ∞Ω---S2---S1---0Ω hoặc ∞Ω---S2---0Ω---S1. Vị trí của S1 và S2 cũng như tốc độ di chuyển của kim đồng hồ phụ thuộc vào thang đo, điện dung của tụ điện và chất lượng tụ. - Đối với tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị dò rỉ hoặc bị chập. Do điện dung của loại tụ này nhỏ nên ta thường dùng thang đo 1k hoặc 10k, nên đảo vị trí kim vài lần khi tiến hành đo: + Khi đo tụ còn tốt kim phóng lên rồi lùi trở về phía vị trí cũ. Điện dung của tụ càng nhỏ thì S1 và S2 càng ở gần ∞Ω. (Lưu ý các tụ nhỏ quá < 1nF thì S1, S2 trùng với ∞Ω) + Khi đo tụ bị rò ta thấy kim lên lưng chừng thang đo và dừng lại không trở về vị trí cũ. + Khi đo tụ bị chập ta thấy kim lên đến 0 Ω và không trở về. - Đối với tụ hoá ít khi bị rò hay bị chập như tụ giấy, nhưng chúng lại hay hỏng ở dạng bị khô (khô hoá chất bên trong lớp điện môi) làm điện dung của tụ bị giảm, để kiểm tra tụ hoá, ta thường so sánh độ phóng nạp của tụ với một tụ còn Có ký hiệu dấu “–“ 13 tốt. Để đồng hồ ở thang từ x1Ω đến x100Ω, điện dung càng lớn thì để thang càng thấp: + Đo hai tụ và so sánh độ phóngnạp, khi đo ta đảo chiều que đo vài lần. Nếu hai tụ phóngnạp bằng nhau là tụ cần kiểm tra còn tốt + Trường hợp kim lên mà không trở về là tụ bị rò. - Trường hợp tụ được gắn trên bo mạch, ta phải chú ý ảnh hưởng của linh kiện mắc song song trực tiếp hoặc gián tiếp với tụ. c. Mắc tụ điện - Hai tụ điện mắc nối tiếp có điện dung tương đương C td được tính bởi công thức: tdC 1 = 1 1 C + 2 1 C hay Ctd = 2 1 21 C C CC Hình 1.18: (a) Hình mắc nối tiếp 2 tụ điện + Khi mắc nối tiếp thì điện áp cho phép (chịu đựng) của tụ tương đương bằng tổng điện áp chịu cho phép của các tụ cộng lại. Utd = U1 + U2 + Khi mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá ta cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ sau. Hình 1.18: (b) Hình mắc song song các tụ điện - Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại. Ctd = C1 + C2 Ctd C2 C1 + 1uF + 1uF + 1uF 14 Hình 1.19 (a) Hình mắc hai tụ không phân cực (b) Hình mắc hai tụ phân cực + Điện áp cho phép (chịu đựng) của tụ điện tương tương bằng điện áp cho phép của tụ có điện áp cho phép thấp nhất. + Nếu là tụ hoá thì các tụ phải được đấu cùng chiều âm dương. 1.1.2.3. Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng. Biến dung: có các ký hiệu như sau: Hình 1.20: Hình ký hiệu biến dung Ví dụ tụ xoay (tụ không khí) là một loại biến dung. Tụ xoay là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được lắp trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài. Hình 1.21: Hình tụ xoay sử dụng trong radio cũ (tụ không khí) 1.1.3. Cuộn cảm 1.1.3.1. Ký hiệu, cấu tạo và phân loại: a. Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý L1 là cuộn dây lõi không khí, L2 là cuộn dây lõi ferit L3 là cuộn dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật Hình 1.22: Kí hiệu của cuộn cảm Ctd C2 C1 + Ctd + C2 + C1 15 b. Cấu tạo và phân loại Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferit hay lõi thép kỹ thuật điện. Hình 1.23: (a) Cuộn dây lõi không khí (b) Cuộn dây lõi Ferit 1.1.3.2. Cách đọc, đo và cách mắc cuộn cảm - Hệ số tự cảm (định luật Faraday). Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua. L = l Sn 72 10.....4 Trong đó: L : là hệ số tự cảm của cuôn dây, đơn vị là Henrry (H) n : là số vòng dây của cuộn dây. l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m) S : là tiết diện của lõi, tính bằng m 2 μ : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi - Cảm kháng: Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều . Z L = 2. .f.L Trong đó: Z L : là cảm kháng, đơn vị là Ω f : là tần số đơn vị là Hz L : là hệ số tự cảm , đơn vị là Henry (H) - Điện trở thuần của cuộn dây: Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằng đồng hồ đo điện trở, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động. - Tính chất nạp, xả của cuộn cảm : 16 + Cuộn dây nạp năng lượng: Khi cho một dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây nạp một năng lượng dưới dạng từ trường được tính theo công thức W = L.I 2 2 Trong đó: W: năng lượng (J) L: hệ số tự cảm (H) I: cường độ dòng điện(A). Hình 1.24: Tính nạpxả năng lượng của cuộn cảm Ở thí nghiệm trên : Khi K1 đóng, dòng điện qua cuộn dây tăng dần ( do cuộn dây sinh ra cảm kháng chống lại dòng điện tăng đột ngột ) vì vậy bóng đèn sáng từ từ, khi K1 vừa ngắt và K2 đóng , năng lương nạp trong cuộn dây tạo thành điện áp cảm ứng phóng ngược lại qua bóng đèn làm bóng đèn loé sáng => đó là hiên tượng cuộn dây xả điện. 1.1.3.3. Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng Ví dụ như biến áp, loa, mic, rơ le... có sử dụng cuộn dây. a. Rơle: Hình 1.25: Hình cấu taọ Rơle Rơle cũng là một ứng dụng của cuộn dây trong sản xuất thiết bị điện tử, nguyên lý hoạt động của Rơle là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua cuộn dây, từ trường lại tạo thành lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở công tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động vv... 17 b. Loa: Hình 1.26: Cấu tạo loa Loa gồm một nam châm hình trụ có hai cực lồng vào nhau, cực N ở giữa và cực S ở xung quanh, giữa hai cực tạo thành một khe từ có từ trường khá mạnh, một cuôn dây được gắn với màng loa và được đặt trong khe từ, màng loa được đỡ bằng gân cao su mềm giúp cho màng loa có thể dễ dàng dao động ra vào. Khi ta cho dòng điện âm tần (điện xoay chiều từ 20 Hz => 20.000Hz) chạy qua cuộn dây, cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên và bị từ trường cố định của nam châm đẩy ra, đẩy vào làm cuộn dây dao động => màng loa dao động theo và phát ra âm thanh. c. Biến áp: biến áp có lõi bằng thép lõi ferit lõi không khí Hình1.27: Hình cấu tạo máy biến áp - Tỷ số vòng vol của biến áp: Gọi: n1 và n2 là số vòng của quộn sơ cấp và thứ cấp. U1 và I1 là điện áp và dòng điện đi vào cuộn sơ cấp U2 và I2 là điện áp và dòng điện đi ra từ cuộn thứ cấp. => Ta có các hệ thức như sau: U1 U2 = n1 n2 Điện áp ở trên hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tỷ lệ thuận với số vòng dây quấn. U1 U2 = I2 I1 Dòng điện ở trên hai đầu cuộn dây tỷ lệ nghịch với điện áp, nghĩa là nếu ta lấy ra điện áp càng cao thì cho dòng càng nhỏ. 18 Phân loại biến áp trong các ứng dụng điện tử: - Biến áp nguồn và biến áp âm tần: Hình 1.28: Máy biến áp nguồn và máy biến áp nguồn hình xuyến + Biến áp nguồn thường gặp trong Cassete, Âmply .. , biến áp này hoạt động ở tần số điện lưới 50Hz , lõi biến áp sử dụng các lá Tônsilic hình chữ E và I ghép lại, biến áp này có tỷ số vòng vol lớn. + Biến áp âm tần sử dụng làm biến áp đảo pha và biến áp ra loa trong các mạch khuyếch đại công suất âm tần, biến áp cũng sử dụng lá Tônsilic làm lõi từ như biến áp nguồn, nhưng lá tônsilic trong biến áp âm tần mỏng hơn để tránh tổn hao, biến áp âm tần hoạt động ở tần số cao hơn , vì vậy có số vòng vol thấp hơn, khi thiết kế biến áp âm tần người ta thường lấy giá trị tần số trung bình khoảng 1KHz - đến 3KHz. - Biến áp xung và cao áp: Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục KHz như biến áp trong các bộ nguồn xung, biến áp cao áp. Lõi biến áp xung làm bằng ferit, do hoạt động ở tần số cao nên biến áp xung cho công suất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông thường có cùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấp hàng chục lần. Biến áp xung Cao áp Hình 1.29: Máy biến áp xung và cao áp 19 1.2. Chất bán dẫn 1.2.1. Chất bán dẫn loại N Hình 1.30 (a) Mạng tinh thể Ge loại N (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại N Từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 5 như Sb, Pb...(có 5 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thừa ra một điện tử ,chất bán dẫn mang điện âm =>chất bán dẫn loại N. 1.2.2. Chất bán dẫn loại P Hình 1.31: (a) Mạng tinh thể Ge loại P (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại P Từ chất bán dẫn ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 3 như Indium... (có 3 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thiếu một điện tử, tạo thành lỗ trống, chất bán dẫn mang điện dương => chất bán dẫn loại P. 1.2.3. Tiếp giáp P-N. Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số. 20 Hình 1.32: Tiếp xúc P-N Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc E tx (nhỏ). Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P. Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P–N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn. Khi đặt tiếp xúc P – N vào điện trường ngoài: - E ngoài ngược chiều với E tx : làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại. Cho dòng điện I qua từ P sang N. - E ngoài cùng chiều E tx: không có dòng điện I qua tiếp xúc P–N từ N sang P. 1.3. Transistor lưỡng cực (BJT) Khái niệm: Transistor là một linh kiện bán dẫn có 3 cực, dòng điện chạy từ cực này đến cực khác, cực còn lại có nhiệm vụ điều khiển dòng này. 1.3.1. Cấu tạo và ký hiệu: Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra tiếp xúc công nghệ P–N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực. Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN (được gọi là transistor ngược ). Hình 1.33: (a )Transistor NPN và kí hiệu Nếu lớp bán dẫn N nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại traisistor PNP (transistor thuận ). Hình 1.33: (b )Transistor PNP và kí hiệu Một cực có thể điểu khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển. Điều kiện của các vùng tạp chất: 21 - Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất. - Vùng C: pha tạp chất trung bình. - Vùng B: pha tạp chất nồng độ rất ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài micromet). 1.3.2. Nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của Transistor Nguyên tắc hoạt động Để transistor hoạt động phải đủ hai điều kiện về điện áp để tiếp tế và phân cực. Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện E CC - Transistor NPN : UCE > 0 - Transistor PNP : UCE < 0 Phân cực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện U BE - Transistor NPN : UBE > 0 - Transistor PNP : UBE < 0 Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau: Chọn một loại transistor loại PNP Hình 1.34: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP Khi K1 đóng, K2 mở: Có nguồn E B , không có nguồn E CC . Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B. Khi qua vùng B tạo nên dòng điện IB. vậy chỉ có dòng I B , không có dòng Ic ở nguồn E CC . Khi K1 mở, K2 đóng: Có nguồn E CC , không có nguồn E B. lúc này CE coi như gồm hai điốt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điốt này mắc ngược chiều nhau nên không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò Ico rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra. Khi K1 đóng, K2 đóng: Nhờ nguồn E B , lỗ trống từ vùng E sang vùng B: 22 - Khi có nguồn UBE , nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện - Khi có dòng IBE , do lớp bán dẫn N tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp ít nên các lỗ trống từ lớp bán dẫn P tại cực E vượt qua lớp tiếp giáp để sang lớp bán dẫn N tại cực B với số lượng nhiều hơn điện tử. - Một phần nhỏ trong số các lỗ trống đó thế vào điện tử tạo thành dòng IB , số còn lại bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE để tạo thành dòng I CE chạy qua Transistor. => Nhận xét: - Nếu IB = 0 thì IC = 0 - Nếu I B tăng thì IC tăng - Nếu I B giảm thì IC giảm Suy ra IB có tính điều khiển dòng IC. Trong đó dòng IB cỡ nA, dòng IC cỡ mA. Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo thành dòng IB , phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng IC . Vậy ta luôn có : IE = IB + I C Trong đó: I B Nhận xét: Khi tăng dòng IB thì dòng IC tăng theo và UCE giảm. Khi dòng IB giảm, dòng IC giảm theo và UCE tăng hay điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếch đại ở chân B (transistor mắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bày vào phần sau). Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương ứng ở mạch ra tại cực C. Dòng IC qua R t gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE (chính là VC) được tính theo công thức () ở trên. IC tăng làm VC giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra VC ngược pha với điện áp vào. 1.3.3. Đặc tuyến của Transistor lưỡng cực - Đặc tuyến ngõ vào: Biểu diễn sự thay đổi của dòng I B theo điện thế ngõ vào VBE . Trong đó hiệu điện thế thu phát VCE chọn làm thông số. Dạng đặc tuyến như sau: Hình 1.37: (a) Đặc tuyến ngõ vào - Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn dòng điện cực thu I C theo hiệu điện thế ngõ ra V CE với dòng điện ngõ vào I B được chọn làm thông số. 25 Dạng đặc tuyến như sau: Hình 1.37: (b) Đặc tuyến ngõ ra - Đặc tuyến truyền: Từ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra, ta có thể suy ra đặc tuyến truyền của Transistor. Đặc tuyến truyền biểu diễn sự thay đổi của dòng điện ngõ ra I C theo điện thế ngõ vào UBE với điện thế ngõ ra UCE làm thông số. Dạng đặc tuyến như sau: Hình 1.37: (c) Đặc tuyến truyền 1.3.4. Các cách mắc Transistor đơn giản - Cách mắc Emitter chung (EC) Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và E, tín hiệu ra được lấy ra gữa cực C và E, E là cực chung. 26 Hình 1.38: (a) Hình mắc Emitter chung - Cách mắc Bazơ chung (BC) Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và E, tín hiệu ra được lấy ra giữa cực C và B, B là cực chung. Hình 1.38: (b) Hình mắc Bazơ chung - Cách mắc Collector chung (CC) Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và C, tín hiệu ra được lấy ra giữa cực E, C là cực chung. Hình 1.38: (c) Hình mắc Collector chung 27 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ IC NE555, CẢM BIẾN MQ2 VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG 2.1. IC NE555 2.1.1. Sơ lược về IC định thời 555 Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là sự kết hợp giữa chức năng số (logic) và chức năng tương tự một cách tuyệt vời. IC định thời 555, công ty Signetics Corporation năm 1971 đưa ra 2 dòng sản phẩm SE555NE555 và được gọi là “máy thời gian”. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định. Từ đó thiết bị này được sản xuất thương mại. Đặc điểm: Mạch điện IC gốc chuẩn thời gian bên trong mạch điện của nó có ba con điện trở 5 k Ω . Vì thế được đặt tên là 555, có độ phân áp cao. Các xưởng sản xuất mạch IC gốc chuẩn thời gian đều đặt tên là 555, chỉ khác nhau ở trước nó có thêm chữ cái viết tắt của tên các xưởng. Ví dụ thường dùng là các loại như: NE555, LM555. Kết cấu sự sắp đặt chân của chúng và phương pháp sử dụng đều giống nhau, tính năng cũng không sai biệt lắm. Nói chung chúng có thể thay thế lẫn nhau. Ngoài loại 555, còn có mạch điện gốc chuẩn thời gian 556, nó là mạch điện gốc chuẩn thời gian kép, bên trong nó có hai mạch điện 555. Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được sử dụng một cách rộng rãi như vậy là do nó có một số ưu điểm đặc biệt như sau: Kết cấu của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được kết hợp tuyệt vời giữa mạch điện số (logic) và mạch điện tương tự. Chức năng logic và chức năng tương tự được tích hợp và được tương thích trong một thể thống nhất, có thể tạo thời gian trễ và tạo dao động chính xác. Nó có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tương tự. Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể độc lập tạo thành một mạch định giờ, dòng điện ra của nó là 200mA. Vì thế có thể trực tiếp kích động cơ điện nhỏ, loa, Relay, LED, diode phát q...
KHÁI QUÁT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Linh kiện điện tử thụ động
Khái niệm: Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở vô cùng lớn
1.1.1.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo a Điện trở của dây dẫn: Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, độ dài và tiết diện của dây được tính theo công thức sau:
Trong đó: ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu (Ωm)
L là chiều dài dây dẫn (m)
S là tiết diện dây dẫn (m 2 )
R là điện trở đơn vị là (Ω-Ohm) b Điện trở trong thiết bị điện tử: Điện trở được làm từ các hợp chất kim loại, tùy theo tỉ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau
- Kí hiệu: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý như sau:
Hình 1.1: Ký hiệu điện trở
- Phân loại: các loại điện trở trong các mạch điện tử có thể phân loại theo công suất, theo độ chính xác, theo vật liệu chế tạo, theo hình dáng Nếu phân loại theo công suất thì có các loại như sau:
+ Loại 1: các điện trở công suất lớn hơn 2W trở lên Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ
Hình 1.2: Hình dáng thực của một điện trở công suất + Loại 2: Điện trở thường là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W
Hình 1.3: Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu + Loại 3: Các điện trở có công suất và kích thước rất nhỏ (loại điện trở dán SMD)
Hình 1.4: Cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD
1.1.1.2 Cách đọc, đo và cách mắc điện trở a Đọc giá trị
- Loại1: thì trị số điện trở/công suất thường được ghi trực tiếp trên thân
- Loại 2: điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng màu, điện trở chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng màu Giá trị điện trở được tính theo quy ước quốc tế
Bảng 1: Bảng quy ước màu điện trở
Màu Giá trị hàng trăm-chục-đơn vị Số nhân Sai số Đen 0 10 0 20%
- Loại 3: điện trở dán SMD có giá trị là: 47*10 3 = 47000Ω = 47KΩ có giá trị là: 473*10 2 = 47200Ω G.2KΩ Hình 1.5: Cách đọc giá trị điện trở SMD
- Đối với loại 4 vòng màu thì: vòng 1 là số hàng chục, vòng 2 là số hàng đơn vị, vòng 3 là số nhân và vòng 4 là sai số Giá trị R xác định như sau:
- Đối với loại 5 vòng màu thì: vòng 1 là số hàng trăm, vòng 2 là số hàng chục, vòng 3 là số hàng đơn vị, vòng 4 là số nhân và vòng 5 là sai số Giá trị R xác định như sau:
R = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) * 10 (vòng 4) (vòng 5) b Cách mắc điện trở
- Mắc kiểu nối tiếp 2 điện trở R1 và R2 được một điện trở tương đương R:
Hình 1.6: (a) Điện trở mắc nối tiếp
- Mắc kiểu song song 2 điện trở được một điện trở tương đương R:
Hình 1.6(b) Điện trở mắc song song c Công suất của điện trở
Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công suất
P tính được theo công thức :
- Theo công thức trên ta thấy, công suất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở
- Công suất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trước khi lắp điện trở vào mạch
- Nếu đem một điện trở có công suất danh định nhỏ hơn công suất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy
- Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công suất danh định > = 2 lần công suất mà nó sẽ tiêu thụ
1.1.1.3 Các linh kiện khác cùng nhóm và ứng dụng a Biến trở
Là điện trở có thể chỉnh để thay đổi giá trị, có ký hiệu là VR chúng có hình dạng như sau :
Hình 1.7: Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở b Điện trở gói (thanh)
Nhiều điện trở được đóng gói thành chung một khối Mỗi điện trở bên trong có giá trị bằng nhau và bằng giá trị ghi trên gói Kí hiệu trên sơ đồ nguyên lý như sau:
Hình 1.8: Ký hiệu và một hình ảnh thực của điện trở thanh
1k c Ứng dụng của điện trở Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau:
- Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp
- Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước
Khái niệm: Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động vv
1.1.2.1 Ký hiệu, phân loại, cấu tạo a Ký hiệu:
Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor) Thông thường nếu là tụ có cực tính thì trên ký hiệu sẽ có sự khác nhau giữa hai bản tụ Ngược lại, tụ không có cực tính thì trên ký hiệu hai bản tụ giống nhau
Hình 1.9: Ký hiệu của tụ điện b Cấu tạo của tụ điện:
- Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi
- Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như tụ giấy, tụ gốm, tụ hoá
Hình 1.10: Cấu tạo của tụ điện gốm(a) và tụ hoá(b)
Hình 1.11: Hình ảnh thực của tụ gốm
Hình 1.12: Hình dạng và kích thước của tụ hoá
1.1.2.2 Cách đọc, đo và cách mắc tụ điện a Đọc giá trị
- Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức
Trong đó: C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện d : là chiều dày của lớp cách điện
S : là diện tích bản cực của tụ điện Đơn vị điện dung của tụ: Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (μF), NanoFara (nF), PicoFara (pF)
- Với tụ hoá: Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ
=> Tụ hoá là tụ có phân cực (-) , (+) và luôn luôn có hình trụ
Hình 1.13: Hình tụ hoá ghi điện dung là 185uF/điện áp 320V
- Với tụ giấy, tụ gốm: Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu
Hình 1.14: Hình tụ gốm và trị số bằng ký hiệu Cách đọc: Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3 )
Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% của tụ điện
- Tụ giấy và tụ gốm còn có một cách ghi trị số khác là ghi theo số thập phân và lấy đơn vị là MicroFara
Hình 1.15: Cách đọc giá trị tụ
* Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ:
Chất bán dẫn
Hình 1.30 (a) Mạng tinh thể Ge loại N (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại N
Từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 5 như Sb, Pb (có
5 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thừa ra một điện tử ,chất bán dẫn mang điện âm =>chất bán dẫn loại N
Hình 1.31: (a) Mạng tinh thể Ge loại P (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại P
Từ chất bán dẫn ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 3 như Indium (có
3 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thiếu một điện tử, tạo thành lỗ trống, chất bán dẫn mang điện dương => chất bán dẫn loại P
Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số
Hình 1.32: Tiếp xúc P-N Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc Etx
(nhỏ) Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P–N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn
Khi đặt tiếp xúc P – N vào điện trường ngoài:
- Engoài ngược chiều với Etx: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại Cho dòng điện I qua từ P sang N
- Engoài cùng chiều Etx: không có dòng điện I qua tiếp xúc P–N từ N sang P.
Transistor lưỡng cực (BJT)
Khái niệm: Transistor là một linh kiện bán dẫn có 3 cực, dòng điện chạy từ cực này đến cực khác, cực còn lại có nhiệm vụ điều khiển dòng này
1.3.1 Cấu tạo và ký hiệu:
Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra tiếp xúc công nghệ P–N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực
Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN (được gọi là transistor ngược )
Hình 1.33: (a )Transistor NPN và kí hiệu Nếu lớp bán dẫn N nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại traisistor PNP (transistor thuận )
Hình 1.33: (b )Transistor PNP và kí hiệu Một cực có thể điểu khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển Điều kiện của các vùng tạp chất:
- Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất
- Vùng C: pha tạp chất trung bình
- Vùng B: pha tạp chất nồng độ rất ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài micromet)
1.3.2 Nguyên tắc hoạt động và chế độ làm việc của Transistor
* Nguyên tắc hoạt động Để transistor hoạt động phải đủ hai điều kiện về điện áp để tiếp tế và phân cực Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện ECC
Phân cực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện UBE
* Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau:
Chọn một loại transistor loại PNP
Hình 1.34: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP Khi K1 đóng, K2 mở: Có nguồn EB, không có nguồn ECC Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B Khi qua vùng B tạo nên dòng điện IB.vậy chỉ có dòng IB, không có dòng Ic ở nguồn ECC
Khi K1 mở, K2 đóng: Có nguồn ECC, không có nguồn EB lúc này CE coi như gồm hai điốt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điốt này mắc ngược chiều nhau nên không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò Ico rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra
Khi K1 đóng, K2 đóng: Nhờ nguồn EB, lỗ trống từ vùng E sang vùng B:
- Khi có nguồn UBE, nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện
- Khi có dòng IBE, do lớp bán dẫn N tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp ít nên các lỗ trống từ lớp bán dẫn P tại cực E vượt qua lớp tiếp giáp để sang lớp bán dẫn N tại cực B với số lượng nhiều hơn điện tử
- Một phần nhỏ trong số các lỗ trống đó thế vào điện tử tạo thành dòng IB, số còn lại bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE để tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor
=> Nhận xét: - Nếu IB = 0 thì IC = 0
- Nếu IB tăng thì IC tăng
- Nếu IB giảm thì IC giảm
Suy ra IB có tính điều khiển dòng IC Trong đó dòng IB cỡ nA, dòng IC cỡ mA Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo thành dòng IB, phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng IC
Vậy ta luôn có : IE = IB + IC
Trong đó: IB ngõ ra chân Q = 1 và VX < V2
(của Op-Amp 2) nên chân R của Flip - Flop ở mức thấp (L) => ngõ ra chân Q=0
=> Flip – Flop hoạt động ổn định ở chế độ này
Hình 2.6: Nguyên tắc hoạt động của IC NE555 (b)
- Khi điện áp tại X lớn hơn điện áp V1 (VX > 1/3 VCC) của Op – Amp 1, nên chân S của FF ở mức thấp (L) => ngõ ra Q = 0, và ngõ ra Q = 0, sự thay đổi này không làm thay đổi trạng thái hoạt động hiện tại của Flip – Flop Khi điện áp tại điểm X lớn hơn điện áp V2 (VX > 2/3 VCC) của Op-Amp 2, nên chân R của Flip – Flop ở mức cao (H) => ngõ ra Q = 1, ngõ ra Q vẫn bằng 0, sẽ làm thay đổi trạng thái hoạt động của Flip – Flop Lúc này, Transitor được kích dẫn, dòng điện không còn qua tụ C nữa, và tụ bắt đầu xả qua Rb và Transistor Điện áp VX giảm dần đến khi VX < V2 (2/3 VCC -> 1/3 VCC), thì chân R ở mức thấp (L) => ngõ ra
Q = 0 và VX vẫn lớn V1 (của OP-Amp 1) nên chân S ở mức thấp (L) => ngõ ra Q
= 0, sự thay đổi này không làm thay đổi trạng thái hiện tại của Flip – Flop
Hình 2.7: Nguyên tắc hoạt động của IC NE555 (c) Điện áp VX giảm khi tụ xả, khi VX ≤ V1 (của Op-Amp1), nên chân S của FF ở mức cao (H), => ngõ ra Q = 1 và VX < V2 (của OP-Amp 2) nên chân R của FF ở mức thấp (L), => ngõ ra Q = 0 Do đó, Transistor tắt tụ ngưng xả, dòng điện chạy qua tụ, tụ lại nạp, điện áp VX tăng dần Quá trình được lặp lại như lúc đầu
Trong quá trình hoạt động bình thường của IC 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp 1/3Vcc đến 2/3Vcc
- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là 1/3Vcc, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên tụ C bằng 2/3Vcc Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C
- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2/3Vcc, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng 1/3Vcc Xả điện với thời hằng là Rb.C
- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.
Một số mạch ứng dụng của IC NE555
2.3.3 Mạch cảnh báo mất điện
Cảm biến khí gas MQ2
Hình 2.8: MQ2 trong thực tế MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy (ví dụ các loại khí như: khí hóa lỏng, Methane, Alcohol, Hydrogen…) Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưng khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp
Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao
MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp
- Tích hợp cảm biến khí ga MQ2
2.4.2 Sơ đồ kết nối, chức năng từng chân MQ2
Hình 2.9: Sơ đồ chân của cảm biến MQ2 Ban đầu MQ2 có 6 chân trong đó chân 1 và 3 được nối với Vcc chân 5 nối với điện trở R1 chân 4 và 6 là 2 chân ra tín hiệu là Aout Tín hiệu ra Aout điện áp ra tương tự Nó chỉ chạy từ 0.3 - 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2 Tín hiệu đi ra từ cảm biến khí gas có dạng analog nhưng chưa thực sự ổn định và chưa thực sự chống được nhiễu, vì thế chúng ta sử dụng với mục đích thứ nhất là để khắc phục tình trạng nhiễu và làm tăng tính ổn định của ngõ ra cảm biến, mục đích thứ hai là chuyển điện áp từ analog sang digital và so sánh điện áp ra từ cảm biến khí gas với mức báo động
Do đó người ta thiết kết nối cảm biến MQ2 này với IC LM358 để cho ta chân Dout có điện áp ra số có giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí ga đo được Khi ở trạng thái không khí bình thường thì MQ2 không có tín hiệu nên chân Aout không có tín hiệu nên không thể kích cho con IC LM358 hoạt động Khi có sự cố rò rỉ khí gas thì chân Aout có tín hiệu và sẽ kích cho con LM358 hoạt động Nếu tín hiệu vào chân số 2 của opam nhỏ hơn chân 3 của opam thì lúc này đầu ra chân 1 sẽ cho ra tín hiệu mức 0 không có tín hiệu Chân
2 và 3 của opam lớn hay hay nhỏ hơn nhau phụ thuộc vào biến trở Rp khi chân 3 có tín hiệu lớn hơn chân 2 thì lúc nảy chân ra số 1 sẽ có tín hiệu mức 1 Chân 1 chính là chân Dout của cảm biến
Việc có chân ra Dout rất tiện lợi cho ta mắc các mạch đơn giản không cần của opam sẽ có tín hiệu bằng 0 do đó chân Dout không có tín hiệu đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh biến trở đến giá trị cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout bằng 1 dẫn đến không có tín hiệu ra Khi nồng độ MQ2 đo được cao hơn mức cho phép Dout bằng 0 dẫn đến có tín hiệu ra
Vcc : đầu vào Kết nối nguồn từ 2.5~5V
3.2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Ở trạng thái bình thường không có khí gas, điện áp ra AOUT
