đồ án tự động hóa Đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng và trạng thái dùng IC4017BC

Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế Mở đầu Đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng và trạng thái dùng IC4017BC 1. lý do chọn đề tài: đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điện đếm dùng ic cd4017bc là đề tài nghiên cứu về kỹ thuật xung cơ bản nhất , nhằm tạo ra một bước ngoặt đầu tiên cho chúng ta làm quen với môn học kỹ thuật xung đầy lý thú và bổ ích .Qua đó hiểu biết về ngành kỹ thuật xung số điện tử đang phát triển rất mạnh mẽ hiện nay và giúp chung ta hiểu biết sáng tạo ra nhưng thành quả áp dụng thực tiến hiện nay: Bảng quảng cáo, áp phíc, mạch điện tử lớn hơn Như chúng ta đã biết, nền khoa học kỹ thuật phát triển gắn liền với sự phát triển của nhân loại Xưa kia con người chỉ biết lao động sáng tạo ra những vật liệu và những công cụ lao động rất thô sơ. Thời gian phát triển tích luỹ kinh nghiệm cùng với sự tìm tòi sáng tạo, con người đã sáng tạo những công cụ lao động hiện đại hơn thay hẳn sức lao động của con người (các thiết bị bằng kim loại rồi các thiết bị máy móc hiện đại ), làm cho năng suất lao động tăng cao hơn rất nhiều. Không chỉ dừng lại ở những thành quả đó, con người tiếp tục tìm tòi sáng tạo ra nhiều cái mới để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt vui chơi giải trí cho bản thân mình .Những thành tựu của thế kỷ 21 ngày nay là kết quả của sự không ngừng tìm tòi sáng tạo đó. Những thành tựu đó phải nói đến các ngành khoa học kỹ thuật, nó là ngành mũi nhọn của mỗi quốc gia, trong các ngành KHKT phát triển hiện nay:CNTT, Y Học, phải nói đến ngành KT Điện Tử, là ngành quan trọng đóng vai trò tất yếu trong tất cả các ngành CNTT , TTLL, Quân sự và các ngành chế tạo Kỹ thuật Xung số là một trong những lĩnh vực rất phát triển hiện nay của ngành KT Điện Tử . Kỹ thuật là môn học kỹ thuật cơ sở của ngành điện tử và điện tử công nghiệp , trong các trường ĐH,CĐ, Trung Học chuyên nghiệp , có vị trí khá quan trọng trong toàn bộ chương trình học của học sinh sinh viên của các ngành học nói trên . 2 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế 2. Mục đích và nhiệm vụ : Mục đích của đề tài là đề xuất một mô hình thích hợp cho ứng dụng mạch điện cơ bản trong nghiên cứu kỹ thuật xung số phục vụ đào tạo cho các khoá học tiếp theo và nghiên cứu cao hơn về ngành kỹ thuật xung số này cũng như tìm tòi sáng tạo nghiên cứu khoa học về ngành KT Xung số. Để đạt được mục đích trên , đề tài chỉ ra những nhiệm vụ sau: 1.Tìm hiểu về một số linh kiện điện tử cơ bản. 2.Xây dựng, thiết kế, tính toán,lắp ráp mô hình mạch điện . 3.Thử nghiệm mô hình và đề suất các nghiên cứu tiếp theo. 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu : Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tài liệu đã được giảng dạy, từ các ý tưởng thực tế , linh kiện thiết bị có sẵn. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn nghiên cứu mô hình mạch điện kích đếm dùng IC CD4017BC trong kỹ thuật xung số cơ bản. 4.Cơ sở tài liệu và trang thiết bị : Đề tài đã sử dụng : a.Các tài liệu do nhóm thu thập từ những tài liệu giảng dạy trong quá trình học tập cùng với những tài liệu tham khảo thu thập bên ngoài. b.Các thiết bị : -các linh kiện điện tử. -Mỏ hàn , đồng hồ đo , và các vật liệu cần thiết trong quá trình lắp ráp và tạo ý tưởng. 5. Phương pháp nghiên cứu: +ý tưởng thiết kế mạch điện kích đếm dùng IC CD4017BC dựng trên mô hình thực tiễn là một hộp quảng cáo nháy sáng những hàng chữ đã thiết kế. +Tính toán thiết kế chính xác thời gian, chu kỳ, tần số của mạch điện. +Sử dụng linh kiện phù hợp với những tính toán thiết kế trên của mạch điện. 6. Luận điểm bảo vệ: Mô hình của đề tài phân thành 3 cấp: 3 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế +ở cấp độ nhỏ: Nghiên cứu thiết kế mạch dao động định thì dùng IC NE555. +ở cấp độ trung bình : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC CD4017BC. +ở cấp độ lớn : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC CD4017BC với các đèn công suất lớn điều khiển ánh sáng những dòng chữ trong hộp quảng cáo. 7. Bố cục của đề tài: Đề tài gồm các trang , hình, bảng, tài liệu tham khảo & phụ lục.Các phần và các chương của đề tài được sắp xếp như sau: +Mở đầu. +Chương 1: Linh kiện điện tử cơ bản. +Chương 2: Thiết kế mạch điện , lắp ráp , phân tích mạch điện. +Chương 3: ứng dụng mô hình vào thực tiến. +Kết quả và những diễn biến trong quá trình lắp ráp,bài học kinh nghiệm +Kết luận và kiến nghị . 4 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế Chương 1: Linh kiện điện tử cơ bản Để có thể nắm vững về kiến thức điện tử cơ bản : về cấu tạo và nguyên lý làm việc của các linh kiện điện tử nhằm mục đích tính toán thiết kế mạch phục vụ đề tài nghiên cứu .Ta sẽ tìm hiểu về một số linh kiện điện tử sau: i . điện trở 1 : Điện trở than: Là loại điện trở sử dụng nhiều nhất trong các mạch điện. Điện trở than là hỗn hợp của bột than và các chất khác , tuỳ tỷ lệ pha trộn mà điện trở có trị số lớn hay nhỏ. Bên ngoài điện trở được bọc bằng một lớp cách điện . Trị số điện trở được ghi bằng các vòng màu theo quy ước của Hoa Kỳ nên còn được gọi là điện trở Hoa Kỳ Hình dáng của điện trở than và các vòng màu như sau : 5 Vòng 1 Vòng 3 Vòng 2 M u n nà ề Vòng 4 Hình dáng i n trđ ệ ở Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế bảng quy ước màu sắc điện trở hoa kỳ Màu Vòng số một Vòng thứ haiVòng thứ ba Vòng số 4 (Số thứ nhất ) (Số thứ hai) (Số bội ) (Sai số ) Đen 0 0 x 10 0 Nâu 1 1 x 10 1 ± 1% Đỏ 2 2 x 10 2 ± 2% Cam 3 3 x 10 3 Vàng 4 4 x 10 4 Xanh lá 5 5 x 10 5 Xanh dương6 6 x 10 6 Tím 7 7 x 10 7 Xám 8 8 x 10 8 Trắng 9 9 x 10 9 Vàng kim x 10 -1 ± 5% Bạc x 10 -2 ± 10 % Trường hợp đặc biệt nếu không có vòng số 4(loại điện trở có ba vòng màu) thì sai số là ± 20%. Hiện nay người ta đã có thể chế tạo các loại điện trở than có năm vạch màu, đây là loại điện trở có độ chính xác cao hơn , lúc đó các vòng màu có ý nghĩa như sau : 6 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế 7 1 2 3 4 5 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế 0 % % Điện trở có năm vòng - Vòng 1: Số thứ nhất - Vòng 2: Số thứ hai - Vòng 3: Số thứ ba - Vòng 4: Số bội - Vòng 5: Sai số 2: Điện trở công suất Công suất của điện trở là trị số chỉ công suất tiêu tán tối đa của nó, nếu dòng điện đi qua điện trở cho ra công suất lớn hơn trị số này thì điện trở sẽ bị cháy. Công suất của điện trở thay đổi theo kích thước lớn hay nhỏ với trị số gần đúng như sau : - Công suất 1/4w có chiều dài khoảng 0,7 cm - Công suất 1/2Wcó chiều dài khoảng 1 cm - Công suất 1W có chiều dài khoảng 1,2 cm - Công suất 2W có chiều dài khoảng 1,6 cm - Công suất 4 W có chiều dài khoảng 2,4 cm Những điện trở công suất lớn hơn thường là những điện trở dây quấn 3: Biến trở (Variable Resistor, viết tắt là VR) Biến trở_ hay còn được gọi là chiết áp_được cấu tạo gồm một điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung, góc quay 270 0 . Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt được làm bằng than (cho biến trở dây quấn ) hay làm bằng kim loại có biến trở than, con trượt sẽ ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi xoay trục. Hình dáng của biến trở con trượt Đặc tính của biến trở Góc quay 8 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế 100% Logarit 50% Điện trở II. Tụ điện ( Capacitor_C_) 1. Cấu tạo của tụ điện : Tụ điện là một loại linh kiện thụ động, tụ điện bao gồm có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song nhau, ở giữa là một lớp cách điện gọi là điện môi. Chất cách điện thông dụng để làm điện môi trong tụ điện là : Giâý, dầu , mica , gốm , không khí Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện : Ví dụ tụ gốm , tụ mi ca 2 : Đặc tính của tụ điện với dòng điện một chiều Giữa hai bản cực của tụ điện là lớp cách điện nên không có dòng điện đi qua tụ điện. Do I=0 nên I U R = =vô cùng . Như vậy tụ điện có sức cản là vô cực Ohm đối với dòng một chiều . Tuy mhiên khi khảo sát hiện tượng tĩnh điện lúc tụ điện được nối vào nguồn DC, người ta nhận thấy : - Điện tích âm ở cực âm của nguồn sẽ tích tụ ở bản cực bên dưới. - Điện tích dương ở nguồn sẽ tích tụ ở bản cực bên . Hiện tượng này được gọi là tụ nạp điện. 3 Đặc tính của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều Theo công thức: T Q I = suy ra Q=I.t Đối với tụ điện , điện tích nạp được tính theo công thức : Q=C.u Suy ra : C.U=I.t suy ra C U 1 = I.t 9 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế Điện áp nạp được trên tụ là sự tích tụ của dòng điện nạp vào tụ theo thời gian t (ý nghĩa trong toán học là tích phân ). Đối với dòng điện xoay chiều hình sin , trị số tức thời của điện áp là : u(t)=U m .sin ω t Hệ thức liên hệ giữa dòng điện i(t)và điện áp u c là: u(t)= dt dq =CU m ω .cos ω t (gọi I m =CU m ω ) Linh kiện điện tử Suy ra : i(t)=I m .sin       + 2 π ω t Như vậy , dòng điện i(t) trên tụ cũng là một trị số thay đổi theo dòng điện xoay chiều hình sin. a . Biên độ cực đại Điện áp tức thời của dòng điện xoay chiều hình sin được biểu diễn theo công thức : u(t)=U m sin ω t và i(t)=I m .sin       + 2 π ω t So sánh biểu thức u(t) với biểu thức tính điện áp trên tụ ta có : U m = C ω Im = fC π 2 Im (C=2 π f) Đây là điện áp cực đại nạp được trên tụ . b. Sức cản của tụ điện đối với AC Định luật Ohm áp dụng trên điện trở cho ta công thức : R= I U áp dụng công thức trên tụ điện đối với dòng xoay chiều ta có : U m = CC Im ⇒ CC Um 1 Im = So sánh hai trường hợp ta thấy CC 1 có ý nghĩa như là điện trở , đối với tụ điện gọi là dung kháng ký hiệu là X c Ta có : X c = fCCC π 2 11 = X c : dung kháng ( Ω ) f : tần số (Hz) C: điện dung(F) Dung kháng X c của tụ điện tỉ lệ nghịch với tần số f và điện dung C. 10 Phân tích thi t k m ch I U KHI N èN CHI U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế Dung kháng cũng có đơn vi tính là Ohm giống như điện trở. III . Diod 1.DIOD bãn dẫn: 1.1.Cấu tạo: Khi chất bán dẫn đang trung hoà về điện mà vùng bán dẫn N bị mất electron ( qua mắt nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành có điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron ( từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thanh có điện tích âm (ion âm). hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electrron từ vùng N sang P nữa. sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện áp. diod bán dẫn có cấu tạo và kí hiệu như hình dưới : Mỗi nối P N Lỗ trống P N electron _ + P N 1.2. Nguyên lý vận chuyển của diod : a . phân cực ngược diod: dùng một nguồn điện nối cực âm của nguồn vào chân P và cực dương của nguồn vào chân N của diod. lúc đó, điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lỗ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống càng khó khăn. tuy nhiên trường hợp này vẫn có một dòng điện rất nhỏ đi qua diod từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng µA. dòng điện rỉ còn gọi là dòng điện boã hoà nghịch I S (saturate: bão hoà). dòng điện rỉ có trị rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp người ta coi như diod không dẫn điện khi được phân cực ngược. P N I S rất nhỏ 11 H ng r o i n ápà à đ ệ . U SáNG dùng ic cd4017bcế ế ạ Đ ề ể Đ ế Mở đầu Đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng và trạng thái dùng IC4017BC 1. lý do chọn đề tài: đề tài nghiên cứu và thiết kế mạch. dựng, thiết kế, tính toán,lắp ráp mô hình mạch điện . 3.Thử nghiệm mô hình và đề suất các nghiên cứu tiếp theo. 3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu : Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tài liệu. độ trung bình : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC CD4017BC. +ở cấp độ lớn : Nghiên cứu tiết kế mạch kích đếm dùng IC CD4017BC với các đèn công suất lớn điều khiển ánh sáng những dòng