Mạch sử dụng cảm biến ánh sáng LDR Light Dependent Resistor để đo mức độ sáng, kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán Op-Amp LM358 để so sánh tín hiệu và điều khiển trạng thái LED.. Mạch h
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
PHÁT TRIỂN MẠCH ỨNG DỤNG SỬ DỤNG LINH KIỆN BÁN
DẪN TRANSISTOR (DIODE) Lớp học phần : 2425I_ELT2032E_59
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Thành Trung
Mã sinh viên: 21021640
Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Thảo
Trang 2
MỤC LỤC
1 TỔNG QUAN 3
a Tên ứng dụng 3
b Giới thiệu 3
2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN 3
a Tổng quan về các linh kiện chính 3
b Thông số kỹ thuật của các linh kiện 4
3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 8
4 PHÂN TÍH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SO VỚI LÝ THUYẾT 10
a Kết quả mô phỏng 10
i Khi ánh sáng cường độ cao (ban ngày hoặc chiếu sáng): 10
ii Khi ánh sáng yếu (ban đêm hoặc tối): 11
iii Điều chỉnh ngưỡng cảm biến bằng RV1 11
b Phân tích kết quả mô phỏng so với lý thuyết 11
c Đánh giá khả năng ứng dụng của mạch 12
Trang 31 TỔNG QUAN
a Tên ứng dụng
- Tên ứng dụng: Hệ thống điều khiển bật/tắt LED tự động dựa trên cảm biến ánh sáng
b Giới thiệu
nhằm mục đích giám sát và phản hồi theo cường độ ánh sáng môi trường Mạch sử dụng cảm biến ánh sáng LDR (Light Dependent Resistor) để đo mức độ sáng, kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) LM358 để so sánh tín hiệu và điều khiển trạng thái LED.
- Khi ánh sáng môi trường đạt hoặc vượt ngưỡng xác định trước (có thể điều chỉnh bằng biến trở RV1), LED sẽ được kích hoạt và sáng Ngược lại, khi ánh sáng yếu hơn ngưỡng này, LED sẽ tắt Mạch hoạt động theo nguyên lý so sánh điện áp, với khả năng phản hồi nhanh chóng trước các thay đổi ánh sáng, phù hợp cho nhiều ứng dụng tự động hóa và chiếu sáng thông minh
- Cấu trúc mạch đơn giản nhưng hiệu quả, cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh
ngưỡng sáng phù hợp với từng điều kiện cụ thể, đảm bảo tính linh hoạt và khả năng ứng dụng cao
2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN
a Tổng quan về các linh kiện chính
Hình 1: Sơ đồ mạch điện
Trang 4- Sơ đồ mạch điện điều khiển độ sáng đèn LED tự động dựa trên cường độ ánh sáng môi trường Mạch này sử dụng một cảm biến ánh sáng (LDR), một op-amp, một transistor và một số điện trở để thực hiện chức năng này
- LDR1 (TORCH_LDR): Điểm nối giữa một đầu của LDR với một đầu của điện trở biến trở RV1 được đặt tên là điểm A Điểm nối còn lại của LDR được nối với ground (mất mát)
o RV1: Điện trở biến trở có một đầu nối với điểm A, một đầu nối với một đầu của điện trở R1
o R1: Một đầu nối với điện trở biến trở RV1, một đầu nối với đầu vào không đảo (+) của op-amp U1:A
- U1:A: Op-amp có ba chân chính:
o Chân không đảo (+) nối với điểm nối giữa R1 và RV1
o Chân đảo (-) nối với điểm giữa của điện trở R2 và R3
o Chân ra nối với base của transistor Q1
o R2, R3: Hai điện trở này mắc nối tiếp nhau Một đầu của R2 nối với
nguồn dương, đầu còn lại nối với chân đảo (-) của op-amp Đầu còn lại của R3 nối với ground
- Q1 (2N1711): Transistor NPN có:
o Emitter nối với ground
transistor Cực âm của đèn LED nối với cực dương của nguồn
b Thông số kỹ thuật của các linh kiện
- LDR1 (TORCH_LDR)
Hình 2: Linh kiện LDR
thành điện trở
Trang 5• Điện trở trong điều kiện tối (R_dark): 1MΩ (hoặc giá trị thay đổi tùy vào loại LDR)
• Điện trở trong điều kiện sáng (R_light): 1kΩ (hoặc giá trị thay đổi tùy vào ánh sáng môi trường)
và ngược lại LDR là linh kiện bán dẫn, có khả năng thay đổi điện trở rất lớn theo cường độ ánh sáng
- RV1 (Biến trở)
Hình 3: linh kiện RV1
• Giá trị điện trở: 100kΩ (giá trị tối đa của biến trở)
o Loại: Biến trở trượt (Potentiometer), giúp điều chỉnh điện trở một cách linh hoạt để thay đổi độ nhạy của mạch, tùy vào mức
độ ánh sáng môi trường
o Điện áp tối đa: 100V (tùy vào kiểu biến trở )
- U1:A (Op-amp LM358)
Hình 3: Linh kiện Op-amp
Trang 6o Chức năng: Sử dụng op-amp LM358, nửa IC sẽ hoạt động như
bộ so sánh Bộ so sánh để so sánh điện áp từ LDR (tạo ra bởi cường độ ánh sáng) với giá trị tham chiếu
thuộc vào yêu cầu mạch)
gain ~100,000), với băng thông 1MHz (ở điện áp ±15V)
- R1, R2, R3 (Điện trở)
Hình 4: Điện trở
op-amp và transistor
sáng)
op-amp)
- Q1 (Transistor NPN 2N1711)
Trang 7Hình 5: transistor Q1
sáng của đèn LED
• Loại transistor: NPN BJT (Bipolar Junction Transistor)
điện lớn chạy qua collector)
• Điện áp collector-emitter tối đa (Vce max): 50V
trưng của loại transistor này)
từ trạng thái tắt sang bật)
- D1 (LED-GREEN)
Hình 6: D1 (LED-GREEN)
hoạt động của mạch
LED hoạt động trong dòng từ 10mA đến 20mA)
sắc và loại LED)
Trang 8• Độ sáng: Tùy thuộc vào dòng điện qua LED, nhưng thông thường có độ sáng rất tốt ở 20mA
- Nguồn cấp (Power Supply)
Hình 7: Nguồn cấp (5V)
nếu cần, có thể sử dụng nguồn cấp 9V hoặc 12V)
vào các linh kiện và tải trong mạch)
mạch
o Thông số: Giá trị điện trở tối đa là 100kΩ Giá trị cụ thể sẽ được điều chỉnh để đạt được độ nhạy mong muốn
3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Dựa trên cảm biến ánh sáng từ LDR và op-amp LM358, cùng với transistor NPN 2N1711 để điều khiển LED Các bước hoạt động như sau:
- LDR (Light Dependent Resistor):
sáng
chân (+) của op-amp tăng
giảm
- RV1 (Biến trở):
Trang 9o Biến trở RV1 được sử dụng để thiết lập giá trị tham chiếu tại chân (-) của op-amp Giá trị này giúp xác định ngưỡng ánh sáng
mà tại đó mạch sẽ kích hoạt
- Op-amp LM358:
o Op-amp LM358 hoạt động như một bộ so sánh
o Nếu điện áp tại chân (+) lớn hơn chân (-), đầu ra op-amp sẽ cao (logic 1)
thấp (logic 0)
- Transistor 2N1711 và LED:
o Khi op-amp xuất mức cao, transistor dẫn (ON), làm LED sáng
o Khi op-amp xuất mức thấp, transistor ngắt (OFF), làm LED tắt
- Tổng kết
có khả năng chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, sau đó sử dụng tín hiệu điện này để điều khiển độ sáng của đèn LED một cách tự động
Trang 104 PHÂN TÍH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SO VỚI LÝ THUYẾT
a Kết quả mô phỏng
Hình 8: kết quả mô phỏng (Proteus)
i Khi ánh sáng cường độ cao (ban ngày hoặc chiếu sáng):
Hình 9: LDR thấp (LED sáng)
- Điện trở của LDR giảm đáng kể
- Điện áp tại chân (+) của op-amp tăng vượt ngưỡng tham chiếu tại chân (-)
- Op-amp xuất mức cao → transistor dẫn → LED sáng
- Kết quả: LED bật sáng báo hiệu ánh sáng mạnh
Trang 11ii Khi ánh sáng yếu (ban đêm hoặc tối):
Hình 10: LDR cao (LED tắt)
- Điện trở của LDR tăng cao
- Điện áp tại chân (+) giảm dưới ngưỡng tham chiếu tại chân (-)
- Op-amp xuất mức thấp → transistor ngắt → LED tắt
- Kết quả: LED tắt báo hiệu ánh sáng yếu
iii Điều chỉnh ngưỡng cảm biến bằng RV1
- Giá trị của RV1 ảnh hưởng đến ngưỡng chuyển đổi giữa hai trạng thái
- Điều chỉnh RV1 để mạch phản ứng theo cường độ ánh sáng mong muốn, phù hợp với ứng dụng thực tế
b Phân tích kết quả mô phỏng so với lý thuyết
Khớp với lý thuyết:
- Cảm biến ánh sáng:Mạch hoạt động chính xác với sự thay đổi của ánh sáng:
ánh sáng tăng
điều khiển đầu ra để chuyển trạng thái LED
- Kích hoạt tải (LED):
o Transistor (Q1) đóng vai trò công tắc hiệu quả, chỉ dẫn khi tín hiệu từ Op-Amp đạt mức cao
hơn ngưỡng
Trang 12c Đánh giá khả năng ứng dụng của mạch
i Khả năng ứng dụng trong thực tế
- Hệ thống chiếu sáng tự động:
động, chẳng hạn như đèn đường, đèn sân vườn, đèn trong nhà hoặc đèn bàn làm việc
- Thiết bị an ninh và báo động ánh sáng:
ánh sáng (ví dụ: ánh sáng bị chắn hoặc một nguồn sáng xuất hiện bất ngờ)
- Hệ thống chiếu sáng trong nông nghiệp:
bảo mức độ chiếu sáng ổn định Khi ánh sáng tự nhiên không
đủ, hệ thống sẽ bật đèn nhân tạo để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng
ii Hạn chế và thực tế:
- Độ nhạy cao với nhiễu ánh sáng:
ánh sáng từ các nguồn khác hoặc bóng thoáng qua
- Hiện tượng dao động tại ngưỡng:
bật/tắt liên tục, gây hao mòn linh kiện và giảm độ tin cậy
- Hạn chế ứng dụng trong môi trường phức tạp:
- Trong môi trường đòi hỏi độ chính xác cao hoặc điều kiện ánh sáng thay đổi nhanh, mạch có thể không hoạt động ổn định
Cải tiến:
- Thêm mạch hồi tiếp (hysteresis)
của Op-Amp để giảm hiện tượng dao động ngưỡng
- Bổ sung lọc nhiễu:
nhiễu ánh sáng nhanh
- Nâng cấp cảm biến
Trang 13- Sử dụng cảm biến ánh sáng kỹ thuật số hoặc photodiode để tăng độ chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng phức tạp
Kết luận:
- Mạch điều khiển bật/tắt LED tự động sử dụng transistor 2N1711 làm linh kiện bán dẫn chính đã được mô phỏng thành công, minh chứng rõ vai trò của transistor trong việc chuyển mạch và khuếch đại dòng điện Mạch hoạt động ổn định, phù hợp với lý thuyết đã học và có tiềm năng ứng dụng cao trong các hệ thống chiếu sáng tự động, tiết kiệm năng lượng Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hiệu quả trước khi triển khai thực tế, đồng thời
mở ra cơ hội phát triển các ứng dụng thông minh hơn trong tương lai