thiết kế chế tạo mạch biền đổi dùng quang trở với ứng dụng bật tắt đèn tự động

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay,cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành điện tử,rất nhiều của điện tử đã giúp ích cho con người rất nhiều đời sống cũng như trong sản xuất nhằm nâng cao năng suất lao động và giảm thiểu tối đa sức lao động của con người.Một trong những ngành ứng dụng nhiều điệnđiện tử nhất là ngành giao thông vân tải.Ứng dụng được mọi người biết đến nhiều nhất là hệ thống tự đóng ngắt đèn đường không cần sự tác động của con người.Xuất phát từ thực tiễn trên kết hợp với những kiến thức chúng em có được trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên ,chúng em đã chọn đề tài “thiết kế chế tạo mạch biền đổi dùng quang trở ” với ứng dụng “bật tắt đèn tự động “ làm đồ án môn học “Mạch và thiết bị điệnđiện Cùng với sự nỗ lực của bản thân nhưng do kiến thức và kinh nghiệm cònnhiều hạn chế nên sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, vậy nên chúng em rất mong nhận được sự giúp đỡ và ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn nhằm phát triển và mở rộng đề tài .

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên … tháng 6 năm 2011 Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……….

………

Ngày … tháng … năm 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành điện tử,rất nhiều ứng dụng

của điện tử đã giúp ích cho con người rất nhiều đời sống cũng như trong sản xuất nhằm nâng cao năng suất lao động và giảm thiểu tối đa sức lao động của con người.Một trong những ngành ứng dụng nhiều điện-điện tử nhất là ngành giao thông vân tải.Ứng dụng được mọi người biết đến nhiều nhất là hệ thống tự đóng ngắt đèn đường không cần sự tác động của con người.Xuất phát từ thực tiễn trên kết hợp với những kiến thức chúng em có được trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên ,chúng em đã chọn đề tài

“thiết kế chế tạo mạch biền đổi dùng quang trở ” với ứng dụng “bật tắt đèn tự

Cùng với sự nỗ lực của bản thân nhưng do kiến thức và kinh nghiệm cònnhiều hạn chế nên sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, vậy nên chúng

em rất mong nhận được sự giúp đỡ và ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn nhằm phát triển và mở rộng đề tài

Hưng Yên, tháng 6 năm 2011

Nhóm sinh viên thực hiện Phùng Ngọc Hà

Phan Danh Hà Nguyển Văn Hải

- Tìm hiểu chung về mạch biến đổi dùng quang trở.

- Tham khảo ý kiến các sinh viên khóa trên.

Tuần 2,3 - Tham khảo một số mạch, ứng dụng bật đèn tự động

- Nghiên cứu các thiết bi, linh kiện có liên quan.

Tuần 4,5 - Thiết kế, lựa chọn mạch điện hợp lý.

- Tìm kiếm các linh kiện sử dung trong mạch.

- Vẽ mạch in và làm bo mạch.

Tuần 6,7 - Hoàn thành mạch và chạy thử.

- Hoàn thành bản thuyết trình,giới thiệu nguyên lý

PHÂN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Điện Trở

1.1 Khái niệm về điện trở.

Điện trở là gì ? Ta hiểu một cách đơn giản - 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 là vô cùng lớn.

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây

được tính theo công thức sau:

R = ρ.L / S

-Trong đó :

ρ là điện trở suất phụ thuộc vào chất liệu

L là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện dây dẫn

R là điện trở đơn vị là Ohm

a) Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng,

chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng thực tế của điện trở trong thiết bị điện tử.

Điện trở công suất Điện trở thường

1.4.1.Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp

Sơ đồ mắc điện trở hạn dòng1.4.2.Cầu phân áp : Mắc điện trở thành cầu phân áp để

có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước.

hình 1.4.2

Ký hiệu điện trở quang hình dạng

2.đặc tính

II.Tụ điện

2.1 Định nghĩa :

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.

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi.

2.2 Điện dung - Đơn vị - Kí hiệu của Tụ điện

* 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

Trong đó C : là điện dung tụ điện

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).

* Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor)

Kí hiệu trên bản mạch vẽ điện

Tụ điện trên mạch - Ký hiệu của tụ điện trên sơ đồ nguyên lý.

3.1 Cấu tạo của biến áp.

Biến áp là thiết bị để biến đổi điện áp xoay chiều, cấu tạo bao gồm một cuộn

sơ cấp ( đưa điện áp vào ) và một hay nhiều cuộn thứ cấp ( lấy điện áp ra sử dụng) cùng quấn trên một lõi từ có thể là lá thép hoặc lõi ferit

Ký hiệu máy biến áp:

3.2 Phân loại biến áp

* Biến áp nguồn và biến áp âm tần:

Biến áp nguồn Biến áp nguồn hình xuyến

* Biến áp xung & Cao áp

4.2.Các bộ phận (các khối) chính của rơle

+ Cơ cấu tiếp thu( khối tiếp thu)

+ Cơ cấu trung gian( khối trung gian)

+ Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành)

Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.

1 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn.

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P

để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode

* Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn.

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

2 Phân cực thuận cho Diode.

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V

thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở

giá trị 0,6V

3 Phân cực ngược cho Diode.

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

4 Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED )

Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện

áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA

Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv

Diode phát quang LED

VI Transistor

1.1 Cấu tạo của Transistor

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp

P-N , nếu ghép theo thứ tự PP-NP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

Cấu tạo Transistor

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E,

và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.

1.2 Cơ chế hoat động của transistor

Trong ứng dụng thông thường(khếch đại),nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch

Vì nối phát nền phân cực thuận nền vùng hiếm hẹp lại,nối thu nền

được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra.

Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và sang vùng nền.Như ta đã biết,vùng nền pha tạp chất ít và rất hẹp nên lỗ trống không nhiều do đó lượng lỗ trống khếch tán sang vùng phát không đáng kể Mạch được phân cực như sau:

Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên có một ít điện tử khếch tán sang vùng phát tái hợp với lỗ trống của vùng nền.Hầu hết các điện tử tử từ vùng này khếch tán thẳng qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC.

Các điện tử tự do vùng phát như vậy tạo nên dòng điện cực phát IE chạy từ cực phát E.Các điện tử từ vùng thu chạy về cực dương của nguồn VCC tạo ra dòng điện thu IC chạy vào vùng thu.

Mặt khác,một số ít điện tử là hạt thiểu số của vùng nền chạy về cực.

dương của nguồn VEE tạo nên dòng điện IB rất nhỏ chạy vào cực nền B Như vậy, theo định luật kirchoff,dòng điện IE bằng tổng dòng IB và IC.

Ta có:IE =IB+IC

Vì dòng IB rất nhỏ nên có thể coi IE=IC

1.3 Ký hiệu & hình dáng Transistor

Ký hiệu của Transistor Hình ảnh thực tế

Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn 1.4 Cách mắc Transistor căn bản

1 Transistor mắc theo kiểu E chung.

Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass hoặc đấu qua tụ xuống mass để thoát thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B và lấy

ra trên cực C, mạch có sơ đồ như sau :

Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung ,Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực C

2 Transistor mắc theo kiểu C chung.

Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương nguồn ( Lưu ý : về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương với mass ) , Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E , mạch có sơ đồ như sau :

hoạt động đền bù mà đã được thiết kế đặc biệt để hoạt động từ một ngồn cung cấp năng lượng duy nhất trong một loạt các hiệu điện thế

Application areas include transducer amplifiers, DC gain blocks and all the conventional op amp circuits which now can be more easily implemented in

single power supply systems Các lĩnh vực ứng dụng bao gồm biến năng khuếch đại, khối DC và đạt được tất cả các quy ước mạch opamp mà bây giờ có thể được thực hiện dễ dàng hơn trong các hệ thống cung cấp điện duy nhất For example, the LM124 series can be directly operated off of the standard +5V power supply voltage which is used in digital systems and will easily provide the required interface electronics without requiring the additional ±15V power supplies Ví dụ, loạt LM324 có thể được giảm giá trực tiếp điều hành của 5 tiêu chuẩn V điện áp cung cấp năng lượng được sử dụng trong các hệ thống kỹ thuật

số và dễ dàng sẽ cung cấp các thiết bị điện tử giao diện bắt buộc mà không đòi hỏi các nguồn cung cấp điện ± 15 V bổ sung.

- Phạm vi cấp điện rộng: cung cấp 3V đến 32V hoặc nguồn cung cấp kép ± 1.5V đến ± 16V

- Large output voltage swing 0V to V + - 1.5V

Quang trở có giá trị 5kΩ khi trời sáng và có giá trị 50kΩ khi trời tối Như vậy

ta sẽ dùng quang trở để xác định thời điểm hiện tại là ban ngày hay ban đêm.

ii LM 324

Ta dùng LM324 để so sánh giá trị của cảm biến vào và giá trị điện thế xác định trước để so sánh Như vậy ta sẽ có đầu ra là 1(V) hay 0(0V) để xác định được là ban ngày hay ban đêm.

iii Role 12V DC

Tiếp điểm Role sẽ đóng cắt Đèn led Ở chế độ bình thường, có 2 cặp tiếp điểm thường đóng, thường mở Khi role có điện, cặp tiếp điểm thường mở đóng lại và cặp tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra.

Là phần tử tích cực được mắc để làm khóa điện tử để điều khiển cho rơle.

9 Các điện trở hạn dòng cho các IC, transitor và cho quang trở.

Giá trị quang trở khi tối là 50kΩ , khi sáng là 5kΩ , ta sẽ chọn R 3 = 10kΩ Khi đó điện áp tại đầu vào chân 3 LM324 khi tối là:

U t = 12V * 50/(50+10) = 10V

Khi sáng là :

U s = 12V * 5/ (10+5) = 4V

Ta dùng mạch phân áp có thể điều chỉnh bằng cách mắc nối tiếp điện trở 5,6k và biến trở 100k.

Càng gần U s thì mạch càng nhạy với bóng tối, và ngược lại, càng gần U t thì mạch càng nhạy với ánh sáng

Tín hiệu ra sẽ là mức 1 khi trời sáng , được đưa vào chân B của Tranzistor C1815 làm việc ở chế độ đóng cắt ( chân B = 0  khóa, chân B = 1  dẫn hoàn toàn) Khi chân B ở mức 1 , Tran dẫn hoàn toàn.

Cực C của Tranzistor mắc tải là cuộn hút role, như đã nói phần trước, hút tiếp điểm thường mở đóng lại mở các tiếp điểm thường đóng Nhờ đó tiếp điểm thường mở đóng lại đèn led sáng, tiếp điểm thường đóng của đèn mở ra để tắt đèn

Và ngược lại khi trời tối, đầu ra của LM324 là mức 0, Tran khóa hoàn toàn, cuộn hút mất điện, đóng lại tiếp điểm thường đóng, mở ra tiếp điểm thường mở

để bật đèn led

III : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

Nguồn điện cung cấp cho mạch này có giá trị khoảng 12V, được lấy ra từ 1 máy biến thế Đầu vào là nguồn điện xoay chiều 220V_50Hz , sau đó nó qua biến

áp giảm áp nguồn(AC) Nguồn AC được chỉnh lưu nhờ 1 bộ chỉnh lưu cầu, bộ chỉnh lưu này chuyển từ dòng AC thành DC Ở đầu ra mạch chỉnh lưu ta lắp thêm 1 tụ điện C1 nhằm mục đích lọc phẳng tín hiệu DC vừa được chỉnh lưu , vì đây là tụ nguồn nên có giá trị khá lớn

IC 7812 điều chỉnh giữ mức điện áp DC ổn định khoảng 12V.Quang trở

(LDR) giữ chức năng cảm nhận ánh sáng trong phòng của bạn Điện trở của các quang trở này rất lớn khi trời tối và điện trở thay đổi khá nhanh,rất nhỏ khi được chiếu sáng

Khi trời tối thì giá trị của quang trở lớn nên điện áp cấp vào LM324 lớn Kích vào chân B của Transitor C1815, dẫn hoàn toàn Transitor cấp điện cho Rơle từ chân C làm Rơle đóng tiếp điểm thường mở làm đèn sáng.

Khi trời sáng thì giá trị của quang trở nhỏ nên điện áp cấp vào LM324 nhỏ Transitor không được cấp điện nên Rơle nên hút tiếp điểm thường mở đóng lại

mở các tiếp điểm thường đóng Nhờ đó tiếp điểm thường đóng của đèn mở ra để tắt đèn.

IV SƠ ĐỒ BOARD MẠCH

PHẦN III : PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đề tài này không chỉ là tự động thắp sáng mà nó còn có ứng dụng khác trong thực tế Như mạch báo động, mạch đèn đường.

Chúng ta sẽ nghĩ sao khi ở các cột điện mà lại không có bóng điện chiếu sáng Như vậy thì rất nguy hiểm cho người tham gia giao thông vào những buổi tối Đèn đường tự động sáng khi trời tối và tự động tắt khi trời sáng Nên không cần người đi bật đèn khi trời tối và không cần người tắt đèn khi trời sáng Như vậy sẽ tiết kiệm được rất nhiều tiền của cho nhà nước.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài, chúng em đã hoàn thành và đạt được những kết quả sau :

- Chế tạo thành công mạch điều khiển

- Sản phẩm có tính mỹ thuật, mỹ thuật và tính ổn định cao

- Qua đồ án lần này, với việc thiết kế, chế tạo sản phẩm thực tế, chúng em

đã thu được nhiều kinh nghiệm trong việc tính toán, chế tạo sản phẩm Qua đó củng cố thêm những kiến thức mà chúng em đã học cũng như tạo ra cơ hội để tìm hiểu sâu hơn nữa về môn học mới trong thời gian tới.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Kỹ thuật điện tử Tác giả : Đỗ Xuân Thụ

Kỹ thuật điện tử Tác giả : Trần Tiến Phức

Điện tử công suất Tác giả : Nguyễn Bính

Điện tử công suất Tác giả : Huỳnh Văn Kiểm

Mục Lục

Trang LỜI MỞ ĐẦU

NỘI DUNG 5

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

I Điện trở 5

II.Tụ điện 8

III Biến áp 10

IV Rơle 11

V Diode bán dẫn 12

VI Transistor 14

VII IC LM 324 18

PHẦN II : THI CÔNG MẠCH 20

I CHỌN LINH KIỆN 20

1 Phần tử điều khiển : LM324 20

2 Đóng cắt : Role 12V DC 20

i Quang trở 20

ii LM 324 20

iii Role 12V DC 20

6 IC 7812 20

7 Đèn LED 20

8 Transistor C1815 20

9 Các điện trở hạn dòng cho các IC, transitor và cho quang trở 20

II :Thiết kế tính toán 21