luận văn tốt nghiệp cảm biến và ứng dụng

Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh… Trong các quá t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN VẬT LÝ

- -

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

THẦY VƯƠNG TẤN SĨ NGUYỄN MINH TÀI

Giáo viên hướng dẫn: MSSV: 1100252

THẦY PHẠM VĂN TUẤN Lớp: SP Vật Lý – K36

THẦY TRẦN THANH HẢI Khóa: 36

Cần Thơ, 5/2014

LỜI CẢM ƠN

-

Sau một khoảng thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn của mình

Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, đặc biệt là thầy Vương Tấn Sĩ đã cung cấp, tận tình hướng dẫn cho tôi thực hiện đề tài Ngoài ra còn có sự đóng góp ý kiến từ các bạn trong lớp Sư phạm Vật lý, Lý - Tin, Lý - CN khóa 36

Tuy đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn, nhưng khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 17 tháng 4 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tài

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 4

MỤC LỤC 5

A PHẦN MỞ ĐẦU 9

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 9

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 9

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 9

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

V KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 9

B PHẦN NỘI DUNG 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 10

I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN 10

II PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN 11

1 Theo dạng kích thích 11

2 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích 12

4 Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến 13

5 Theo thông số của mô hình thực tế 13

III CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN 13

1 Hàm truyền (hàm chuyển đổi) 13

2 Độ lớn của tín hiệu vào 14

3 Sai số và độ chính xác 14

IV CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN 15

1 Chuẩn đơn giản 15

2 Chuẩn nhiều lần 15

V ĐỘ TUYẾN TÍNH 15

1 Điều kiện có tuyến tính 15

2 Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính 16

VI TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG 16

VII CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG 17

1 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 17

2 Hiệu ứng nhiệt điện 17

3 Hiệu ứng hỏa điện 17

4 Hiệu ứng áp điện 18

5 Hiệu ứng quang điện 18

6 Hiệu ứng quang điện từ 19

7 Hiệu ứng Hall 19

VIII MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN 20

1 Các đặc tính đầu của mạch giao diện 20

2 Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA) 20

3 Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier) 21

3.1 Khử điện áp lệch đầu ra (hình 1.11) 21

3.2 Mạch lập lại điện áp (hình 1.12) 22

3.3 Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13) 22

3.4 Mạch cầu Wheatstone (hình 1.14) 22

IX TRUYỀN DỮ LIỆU 23

1 Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây 23

2 Đường truyền bốn dây 23

3 Đường truyền sáu dây 23

X NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH 24

CHƯƠNG II SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 25

I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN 25

II ỨNG DỤNG 25

1 Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối 25

1.1 Sơ đồ thiết kế mạch 25

1.2 Sơ lược về các thành phần của mạch 26

1.2.1 Quang trở 26

1.2.2 Transistor (T) 26

1.2.2.1 Cấu tạo 26

1.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động 27

1.2.2.3 Ký hiệu và hình dạng 28

1.2.2.4 Cách xác định chân E, B, C của Transistor 29

1.2.3 Rơ-le điện từ 30

1.3 Hoạt động của mạch 31

1.4 Kết luận 32

2 Mạch cảnh báo trộm dùng IC 555 34

2.1 Sơ đồ thiết kế mạch 34

2.2.1 Thyristor (SCR) 34

2.2.2 Phototransistor (Quang Transistor) 35

2.2.3 Giới thiệu IC 555 35

2.2.3.1 Sơ lược về IC 555 35

2.2.3.2 Hình dạng và sơ đồ chân 36

2.2.3.3 Chức năng từng chân của 555 36

2.2.3.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 37

2.3 Hoạt động của mạch 38

2.4 Kết luận 41

3 Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy 41

3.1 Sơ đồ thiết kế mạch 41

3.2 Sơ lược về các thành phần chính của mạch 42

3.3 Hoạt động của mạch 43

3.4 Kết luận 44

4 Mạch điện tự điều chỉnh nhiệt độ nước của bể nuôi cá cảnh dùng cảm biến nhiệt điều khiển Opto - Coupler Phototransistor 45

4.1 Sơ đồ thiết kế mạch 45

4.2 Hoạt động của mạch 45

4.3 Kết luận 46

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VẼ MẠCH 47

I GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH 47

II VẼ MỘT MẠCH NGUYÊN LÝ BẰNG ORCAD CAPTURE 47

1 Khởi động Capture 47

2 Tạo một Project mới 48

2.1 Cửa sổ Capture 48

2.2 Tạo một New Project 48

2.3 Thiết lập kích thước cho bản vẽ 51

2.4 Một số công cụ hay dùng trong việc vẽ mạch nguyên lý 52

3 Vẽ sơ đồ nguyên lý 53

3.1 Tìm linh kiện 53

3.2 Đặt linh kiện 56

3.3 Sắp xếp linh kiện 57

3.4 Chạy dây và hiệu chỉnh linh kiện 58

4 Kiểm tra lỗi sơ đồ nguyên lý 59

III TẠO LINH KIỆN MỚI TỪ CỬA SỔ CAPTURE 60

1 Giới thiệu 60

2 Các bước tạo linh kiện mới 60

2.1 Tìm datasheet 61

2.2 Phân tích datasheet 61

2.3 Khởi động Capture 62

2.4 Tạo thư viện chứa linh kiện 62

2.5 Bắt đầu tạo linh kiện 64

2.5.1 Tạo từng nhóm chân linh kiện 65

2.5.2 Chỉnh sửa và vẽ đường bao 69

2.5.3 Lưu 69

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI 70

I MACH ĐẾM SẢN PHẨM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VỚI IC SỐ 70

1 Sơ đồ mạch nguyên lý 70

2 Nguyên lý hoạt động của mạch 70

2.1 Giới thiệu sơ lược về nguyên lý hoạt động 70

2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động của từng phần 70

2.2.1 Mạch phát tín hiệu hồng ngoại 71

2.2.2 Mạch thu tín hiệu hồng ngoại 71

2.2.3 Bộ đếm với hai IC 4518 và bộ giải mã với ba IC 4511 điều khiển led 7 đoạn hiển thị số 72

2.2.3.1 Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC đếm 4518 72

2.2.3.2 Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC giải mã 4511 74

2.2.4 Led 7 đoạn Catod chung 76

2.4 Nguyên lý hoạt động tổng quát của mạch đếm sản phẩm 77

3 Sơ đồ mạch in và hình ảnh mạch thực nghiệm 78

4 Ưu - khuyết điểm của mạch 79

4.1 Ưu điểm 79

4.2 Khuyết điểm 79

II MẠCH CẢNH BÁO TRỘM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VÀ IC NE555 80

1 Sơ đồ mạch nguyên lý 80

1.1 Sơ đồ mạch cảnh báo trộm 80

1.2 Sơ đồ mạch nguồn 80

1.3 Sơ đồ mạch phát tín hiệu cảnh báo 81

2 Nguyên lý hoạt động của mạch 82

3 Ưu - khuyết điểm của mạch 83

4 Sơ đồ mạch in 83

5 Kết quả thực nghiệm 84

C PHẦN KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

A PHẦN MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử

đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Ngày nay với ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo nên hàng loạt thiết bị với những đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ nhanh là những yếu tố rất cần thiết

để góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả

Điện tử đang trở thành một nghành học đa nhiệm vụ Điện tử đã góp phần đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công - nông - ngư nghiệp cho đến nhu cầu cần thiết cho hoạt động đời sống hằng ngày Một trong những ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là lĩnh vực cảm biến, một lĩnh vực khá quan trọng trong môi trường cuộc sống hiện đại ngày nay Xuất phát từ nhiều ứng dụng thực tế của mạch cảm biến trong đời sống và niềm đam mê học hỏi sáng tạo tôi quyết định chọn đề tài “Cảm biến và ứng dụng” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Việc sử dụng các cảm biến ngày nay đang trở nên phổ biến và gần gũi hơn với tất

cả mọi người vì vậy chúng ta cần nghiên cứu để tìm hiểu sâu về lĩnh vực này từ đó có những ứng dụng thực tế phục vụ cho đời sống hằng ngày, hạn chế đi phần nào sức lao động của con người

Mục đích chính của đề tài là đưa khái những khái niệm tổng quan nhất về cảm biến, một lĩnh vực rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử, từ cơ sở đó sử dụng phần mềm mô phỏng một số mạch cảm biến đơn giản và đưa ra ứng dụng thực tế đồng thời tiến hành ráp một số mạch thực tế

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Do kiến thức và thời gian thực hiện đề tài có giới hạn nên đề tài còn một số hạn chế nhất định, nếu có điều kiện sẽ tiếp tục nghiên cứu để đề tài được hoàn thiện hơn

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu lý luận:

- Tham khảo tài liệu có liên quan đến đề tài thực hiện

- Phân tích tài liệu và chọn thông tin phù hợp

- Nghiên cứu tìm hiểu các thành phần, cách sử dụng phần mềm và các thiết bị, phương tiện để ráp mạch thực tế

- Thiết kế mạch in cho các mạch

 Thực hành: Tiến hành ráp các mạch thực tế

V KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài, xác định nội dung cần thực hiện

- Lập đề cương tổng quát

- Tham khảo thu thập các tài liệu có liên quan

- Thực hiện đề tài

- Viết bản thảo nộp GVHD và tham khảo ý kiến của GVHD

- Chỉnh sửa và hoàn tất nội dung đề tài

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN

Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều đặc trưng bởi các cảm biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng các tín hiệu kích thích Các bộ cảm biến thường định nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu kích thích

Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh… Trong các quá trình đo lường - điều khiển thông tin được truyền vào tải và xử lí dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử

Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1.1)

trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x, w(t) là hàm truyền đạt

Hình 1.1: Mô hình mạch của bộ cảm biến

Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng:

y = f(x) (1) Quan hệ (1) rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng -kích thích

Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm

x(t) y(t) Ngõ vào

(Kích thích)

Ngõ ra (Đáp ứng)

của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá thông số của hệ thống Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình

II PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN

Các bộ cảm biến có thể phân loại theo theo các phương pháp khác nhau sau đây

- Điện trường (biên, pha, phân cực phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường

- Cường độ

2 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

3 Theo tính năng các bộ cảm biến

- Phân tích phổ Sinh học - Biến đổi sinh hóa - Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

4 Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến

- Công nghiệp

- Nghiên cứu

- Môi trường, khí tượng

- Thông tin, viễn thông

- Nông nghiệp

- Dân dụng

- Giao thông

- Vũ trụ, quân sự

5 Theo thông số của mô hình thực tế

- Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn

- Cảm biến thụ động (không nguồn): được biểu diễn bằng mạng hai cửa không nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích, được đặc trưng bởi thông số R, L,

C, M… tuyến tính hoặc phi tuyến

III CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN

Theo quan điểm mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng - kích thích được biểu diễn bằng phương trình y = f(x) Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến Ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau:

1 Hàm truyền (hàm chuyển đổi)

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới bảng giá trị graph hoặc biểu thức toán học Gọi x là kích thích y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích Hàm truyền có thể biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit hàm lũy thừa hoặc hàm mũ

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:

y = a + bx

Ở đây a là hằng số tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến

)dy(x

Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn

2 Độ lớn của tín hiệu vào

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai

số không vượt quá ngưỡng cho phép Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào

1 2 1

2

u

u 20lg P

P 10lg 1dB  

3 Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác nên gây sai số giữa giá trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo

và giá trị x, sai số tương đối của bộ cảm biến tính bằng:

.100x

Δx

δ Khi đánh giá sai số của bộ cảm biến ta thường phân thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:

- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, giá trị không đổi hoặc

thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt

Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:

- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Có thể

dự đoán một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó

Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng như thông số môi trường không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số phương pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê

IV CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN

Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả yếu tố ảnh hưởng

Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan tới đáp ứng như

độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích Ngoài ra chúng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi áp Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và các thông số của nguồn như biên độ, tần

số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến

1 Chuẩn đơn giản

Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng không chịu tác động của kích thích này Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa

là các đại lượng có giá trị không đổi Trong điều kiện này việc chuẩn các cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các

phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao

- Chuẩn gián tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so

sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc Khi tác động lần lượt lên hai cảm biến cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn

chuẩn của bộ cảm biến

2 Chuẩn nhiều lần

Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ) giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình

1 Điều kiện có tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó

độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên các đặc tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các đại lượng đo còn ở trong vùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế

độ tĩnh s(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số quyết định đáp ứng (như tần số

đo

2 Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính

Khi chuẩn cảm biến người ta làm thực nghiệm nhận được một loạt các điểm tương ứng của si, mi Ngay cả trong trường hợp về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm này cũng không nằm trên một đường thẳng Đó là bởi vì sự không chính xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến Tuy nhiên, từ các điểm thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất Biểu thức của đường thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất

bam

s Trong đó:

i i

i i

)m(mΝ

m.s.m

sΝ

i

i i i 2 i i

)m(mΝ

m msm

.sb

Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến

Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nó được xác định từ độ lệch cực đại của đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất (tính bằng %) trong dải đo

VI TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG

Để đánh giá thời gian hồi áp của đáp ứng theo kích thích người ta sử dụng khái

kích thích bắt đầu tác động cho đến khi biến thiên của đáp ứng chỉ còn khác giá trị cuối

VII CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG

Hoạt động của một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện Dưới đây là mô tả một cách tổng quát các dạng ứng dụng của hiệu ứng này

1 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một thanh dẫn chuyễn động trong từ trường sẽ xuất hiện suất điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông nghĩa là tỉ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc

đo suất điện động cảm ứng Hiệu ứng này do nhà vật lý người Anh Micheal Faraday phát hiện năm 1831, là cơ sở lý luận cho các thiết bị điện từ như động cơ điện, máy phát điện, dụng cụ đo lường…

Hình 1.3: Hiệu ứng cảm ứng điện từ

2 Hiệu ứng nhiệt điện

Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với

điện động e(T1, T2)

Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, ví dụ

tạo nên chênh lệch nhiệt độ Hiệu ứng này do nhà vật lý Pháp J.C.Peltier phát hiện

(hình 1.4)

Hình 1.4: Hiệu ứng nhiệt điện

3 Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ với độ phân cực điện

(M3)

T1

T2 (M2)

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện và xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông 

Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc ) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện

Hình 1.6: Hiệu ứng áp điện

5 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện do A Einstein phát hiện năm 1905 Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này được ứng dụng chế để tạo cảm biến quang

Hình 1.7: Hiệu ứng quang điện

6 Hiệu ứng quang điện từ

Do Verdet phát hiện năm 1863 Khi tác dụng một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng

Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện

K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của vật mẫu

Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định

Hình 1.9: Hiệu ứng Hall

VIII MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN

1 Các đặc tính đầu của mạch giao diện

Đáp ứng của các mạch cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất,… vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải Cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu Công việc này gọi

là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này

Sơ đồ khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải:

Tổng trở vào của mạch giao diện là tỉ số giữa điện áp và dòng điện phức nhìn từ cửa vào của mạch:

Z =

IU

2 Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA)

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật toán Đó là mạch khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại và tổng trở vào rất lớn Mạch khuếch đại thuật toán thuộc dạng mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm Transistor và điện trở, tụ điện, mạch khuếch đại thuật toán có:

- Hai ngõ vào đảo (-) và không đảo (+)

- Điện trở ra rất nhỏ (vài chục )

- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ (cỡ vài nV)

- Dòng điện phân cực đầu vào ii rất nhỏ (cỡ pA)

- Dải tần làm việc rộng

- Hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (Comon Mode Rejection Ratio) là tỷ

số hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB

- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs

Đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán thông dụng:

xuất

Điện áp lệch (µV)

Hệ số nhiệt độ (µV/0C)

Dòng phân cực

ở 25o

C (nA)

Hệ số khuếch đại

3 Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier)

Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra (hình 10) Hệ số khuếch đại của

trở phản hồi có độ chính xác cao, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào

V0 = A(V+ - V-) = A.V

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan

trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và

tăng điện trở vào của OPA Điện áp trên R0

phải bằng điện áp vi sai đầu vào V và tạo

dòng điện i = V/R0 Các điện áp ra từ OPA

là V01, V02 bằng nhau về biên độ nhưng ngược

1R

RR

có điện áp bằng 0 khi hai đầu nối vào mass Thực tế vì các điện áp bên trong OPA nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào Trị số điện áp lệch cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên một dòng điện áp lệch ở đầu ra

Hình 1.11 Hình 1.12

3.2 Mạch lập lại điện áp (hình 1.12)

tăng điện trở đầu vào, nên được dùng để ghép nối hai khâu trong mạch đo

3.3 Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13)

Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có

điện áp chuẩn Một pin mẫu Weston được dùng

để tạo ra một điện áp chính xác 1,018v như một

việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu Điện áp ra là một hàm phi tuyến nhưng

với biến đổi < 0,05 có thể coi là tuyến tính

Độ nhạy của cầu cực đại khi R1 = R2, R3 = RV = R(1+)

Đặt k = R1/R2, độ nhạy của cầu:

 = 2

) k 1 (

k R

V



Mạch cầu thường được sử dụng trong các phép đo nhiệt độ, áp suất, lực, từ

trường…, trong nhiều trường hợp các điện trở này nhạy với nhiệt độ bù ảnh hưởng

nhiệt độ của điện trở

Hình 1.14

IX TRUYỀN DỮ LIỆU

1 Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây

Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chỉ thị thường sử dụng đường truyền hai dây Ví dụ tín hiệu từ bộ cảm biến nhiệt độ qua máy phát được truyền trực tiếp đến bộ khống chế quá trình Tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc dòng điện nhưng dòng điện được chấp nhận như một tiêu chuẩn công nghiệp có giá trị từ 4 đến 20

mA qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa Sử dụng nguồn dòng có ưu điểm so với nguồn áp là điện trở của đường dây không ảnh hưởng tới dòng điện trong mạch vì điện trở của nguồn dòng rất lớn Ngoài ra nguồn cung cấp công suất cần thiết cho tải Mạch vòng dòng điện gây điện áp rơi trên điện trở tải

Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của mạch điện tử

2 Đường truyền bốn dây

Đôi khi người ta mong muốn nói bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ

xa Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp (ví dụ điện trở áp điện, nhiệt điện trở có

do điện trở dây nối Để giải quyết ta có thể dùng sơ đồ bốn dây Theo nguyên lý của

dây nối Điện trở cần đo được nối với mạch giao diện bằng bốn dây, hai dây nối với nguồn còn hai dây nối với vôn kế Vì nguồn dòng có điện trở vào rất lớn, do đó dòng điện do nó cung cấp không phụ thuộc vào điện trở dây nối r của mạch này Điện trở vào của vôn kế cũng rất lớn do đó có thể coi dòng điện qua vôn kế bằng 0, do đó điện

áp rơi trên điện trở Rx không phụ thuộc vào điện trở dây nối

Vx = Rx.i0

Sơ đồ bốn dây được sử dụng rất hiệu quả để đo điện trở từ xa

3 Đường truyền sáu dây

Khi cầu Wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt độ của cầu Để tránh ảnh hưởng của điện trở dây nối r ta sử dụng sơ đồ sáu dây Bốn dây nối với dụng cụ đo điện áp có điện trở trong rất lớn còn hai dây nối với nguồn áp có điện trở vào rất lớn

Điện áp đó sẽ không phụ thuộc vào điện trở dây nối vì dòng điện của nó bằng 0

X NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH

Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguyên nhân gây ra sai số Ta có thể phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội tại và nhiễu trên các mạch truyền dẫn tín hiệu

Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…, do đó đáp ứng có thể bị méo dạng so với dạng lý tưởng Sự méo dạng của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Dạng tín hiệu ra có liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của cảm biến

Nhiễu trên các mạch truyền dẫn từ cảm biến đến các thiết bị đo và thu thập số liệu cũng gây nên sai số

Các trường hợp thường gặp:

- Nguồn cung cấp cho cảm biến không ổn định và chính xác

- Từ trường và điện trường bên ngoài (đối với cảm biến nhiệt do điện trở nhiệt của germani)

- Nhiệt độ môi trường làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thích của cảm biến (đối với quang trở)

- Độ ẩm có thể là thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi, điện trở suất

- Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu đáp ứng

- Bức xạ ion, tác nhân hóa học,… tác động lên cảm biến

Để chống nhiễu, ta có thể thực hiện một số biện pháp như tăng độ lớn của tín hiệu đo, dùng màng chắn của điện trường và từ trường, lọc các tần số gây nhiễu và sử dụng các cảm biến mắc vi sai… Tất cả các biện pháp trên sẽ được thực hiện cho từng loại cảm biến cụ thể

CHƯƠNG II SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG

DỤNG THỰC TIỄN

I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN

Ngày nay các mạch cảm biến đã xâm nhập vào hầu như các lĩnh vực khoa học kỹ thuật do chúng tạo rất nhiều tính năng tiện ích Cảm biến được dùng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập tới mạch cảm biến và phát hiện, mạch cảm biến điều khiển các mạch điện đơn giản

Trong các mạch cảm biến nghiên cứu thì nguyên lý hoạt động khá đơn giản, khi

có tác động vào cảm biến thì cảm biến đó thay đổi (thường là thay đổi giá trị điện trở)

để đáp ứng với sự tác động này, từ sự thay đổi của cảm biến đó người ta đưa vào IC điều khiển hoặc các Rơ-le điện từ để điều khiển các mạch phía sau Tùy vào mục đích

sử dụng mà ta có thể dùng các cảm biến khác nhau dùng IC hoặc Rơ-le

II ỨNG DỤNG

1 Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối

1.1 Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.1)

Hình 2.1

1.2 Sơ lược về các thành phần của mạch

1.2.1 Quang trở

 Sơ lược về quang trở

Quang trở thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng Quang trở là một cảm biến ánh sáng,

nó dùng để cảm nhận cường độ ánh sáng yếu hay mạnh Hay nói cách khác quang trở

là hiện tượng dòng diện chạy qua chất bán dẫn tăng lên khi bị chiếu sáng Ký hiệu của quang trở là CDS

 Hình dạng, cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hình 2.2: Hình dạng và cấu trúc của quang trở

Quang trở được cấu tạo: lớp bán dẫn mỏng (Cadimi Sulfur - CDS), tấm cách điện, hai điện cực bằng kim loại

 Nguyên lý hoạt động của quang trở như sau:

Thông thường khi không có ánh sáng, dòng điện bị giới hạn bởi số lượng điện tích xuất hiện rất ít trong chất bán dẫn Sức cản trở lúc này rất cao hay nói cách khác điện trở của nó rất lớn khoảng 10M

Khi chiếu ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện, nên tạo

ra những cặp điện tích - lỗ trống Điều này làm tăng mạnh lượng điện tích, điện trở lúc

1.2.2 Transistor (T)

1.2.2.1 Cấu tạo

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP 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

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực nền 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 (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

1.2.2.2 Nguyên tắc hoạt động

 Xét hoạt động của Transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực

C và (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và điện trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E Khi công tắc

mở, ta thấy rằng mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng IC = 0)

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy

IB Ngay khi dòng IB xuất hiện lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức

IC = β.IBTrong đó:

IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích: Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn

số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor

 Xét hoạt động của Transistor PNP

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ

E sang B

1.2.2.3 Ký hiệu và hình dạng

 Ký hiệu và hình dáng

Hình 2.3: Ký hiệu và hình dạng của Transistor

 Ký hiệu (trên thân Transistor)

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng thông dụng nhất là các Transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc

Transistor Nhật bản, thường ký hiệu là A…, B…, C…, D… Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký

nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn

Transistor do Mỹ sản xuất, thường ký hiệu là 2N… ví dụ 2N3055, 2N4073… Transistor do Trung quốc sản xuất bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái Chữ cái thứ nhất cho biết loại Transistor, chữ A và B là Transistor thuận, chữ C và D là Transistor ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là Transistor âm tần, A và G là Transistor cao tần Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm Ví dụ: 3CP25, 3AP20…

1.2.2.4 Cách xác định chân E, B, C của Transistor

Với các loại Transistor công suất nhỏ thì thứ tự chân C và B tuỳ theo Transistor của nước nào sản xuất, nhưng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới

Nếu là Transistor do Nhật sản xuất, ví dụ Transistor C828, A564 thì chân C ở giữa, chân B ở bên phải

Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa, chân C ở bên phải Tuy nhiên một số Transistor được sản xuất nhái thì không theo thứ tự này để biết chính xác

ta dùng phương pháp đo bằng đồng hồ vạn năng

Với loại Transistor công suất lớn (như hình dưới) thì hầu hết đều có chung thứ tự chân: bên trái là cực B, ở giữa là cực C và bên phải là cực E

Đo xác định chân B và C

Với Transistor công suất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại Để đồng hồ thang x1Ω, đặt cố định một que đo vào từng chân, que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận…

1.2.3 Rơ-le điện từ

Rơ-le là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được xem là một thiết bị bảo vệ, được dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi quá tải Một Rơ-le điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn Kết cấu của một Rơ-le gồm một lõi sắt một cuộn từ và một tiếp điểm

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo và hình dạng của Rơ-le

Như hình trên Rơ-le có hai vị trí mà khóa Rơ-le thay đổi qua lại được là B và C

Tùy thuộc vào chiều dòng điện khóa có thể thay đổi vị trí ban đầu

A

1.3 Hoạt động của mạch

Nguyên lý hoạt động của mạch sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân, tức là có ánh sáng (mức cao) hoặc không có ánh sáng (mức thấp) chiếu vào quang điện trở dẫn tới Transistor dẫn (mức cao) hoặc ngưng dẫn (mức thấp), kết quả là có hoặc không có

dòng điện qua Rơ-le

Hình 2.5

Hoạt động cụ thể của mạch:

Tại điểm A ta có:

λ 1

CC CC

λ 1

λ A

R

R1

V.V

RR

RV

 Khi thông lượng ánh sáng chiếu vào quang trở giảm (trời tối) (xem hình 2.5)

 Φλ giảm  Rλ tăng

Từ (1) suy ra VA tăng  VB tăng

Cụ thể :

0.737V737mV

R

R1

V.V

RR

RV

λ 1

CC CC

λ 1

được nối vào nguồn điện 9V và đèn sáng

R 1

Rλ

 Khi thông lượng ánh sáng chiếu vào quang trở tăng (trời sáng) (xem hình

2.6)

Hình 2.6

Tương tự ta sẽ có VA = VB = 0.346V nên VBE = VB - VE= 0.346 < 0.5V làm Transistor ngưng dẫn, khóa của Rơ-le bật lại vị trí B và đèn tắt

1.4 Kết luận

Áp dụng mạch điện tử này vào trong đời sống: Ta có thể ráp mạch này theo các

số liệu mô phỏng và đặt nó ở vị trí thuận lợi, lúc đó mạch hoạt động và cho ta tác dụng rất hữu ích, chẳng hạn như khi ta vắng nhà lúc trời tối đèn sẽ tự động mở lên Lúc

không cần sử dụng đến mạch này ta có thể bật khóa K sang chế độ hở (xem hình 2.7)

Với một số thay đổi và thiết kế lắp đặt ở vị trí thuận tiện, ta có thể ứng dụng mạch nay trong việc điều khiển sào phơi quần áo Nguyên lý hoạt động cũng tương tự, khi trời sáng mạch hoạt động sào quần áo được đưa ra ngoài, ngược lại khi trời tối hoặc khi có mưa mạch ngừng hoạt động sào quần áo được đưa vào nhà tránh bị ướt

 Khi trời sáng (xem hình 2.8)

Hình 2.8

 Khi trời tối (xem hình 2.9)

Hình 2.9

Hình 2.11: Cấu tạo, ký hiệu,

sơ đồ tương đương của SCR

Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier: Diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi một cổng Silicium)

Thyristor có cấu tạo gổm bốn lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược (như sơ đồ tương đương bên dưới) Thyristor có 3 chân là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điều khiển, bình thường khi phân cực thuận SCR vẫn không dẫn điện, khi có dòng điện kích vào chân G thì SCR dẫn điện cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc ngắt điện áp

Hình 2.12: Hình ảnh Thyristor (SCR)

2.2.2 Phototransistor (Quang Transistor)

Phototransisor là các transistor silic loại NPN mà vùng

nền (Base) được chiếu sáng, không có nguồn điện áp đặt lên B,

chỉ có điện áp đặt lên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực

ngược (hình 2.13a) Điện áp đặt chủ yếu vào phần chuyển tiếp

B-C (phân cực ngược) trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa

E và B thay đổi không đáng kể (UBE  0.6  0.7)

Khi phần chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sự hoạt động

của Phototransistor giống như Photodiode ở chế độ quang dẫn

Dòng Ir đóng vai trò là dòng điện nền, nó gây nên dòng thoát Ic: Ic=(β+1)Ir

Có thể coi Phototransistor như tổ hợp của Photodiode và một Transistor (hình 2.13b)

2.2.3 Giới thiệu IC 555

2.2.3.1 Sơ lược về IC 555

IC 555 được sản xuất vào những năm 1971 bởi công ty Signetics Corporation với dòng sản phẩmE555/NE555 và được gọi là IC định thời gian và cũng là loại có đầu tiên trên thị trường 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 đơn ổn và không ổn định

xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được

độ rộng xung Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng ngắt hay là những mạch dao động khác Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất

Sau đây là bảng thông số của IC 555 có trên thị trường:

+ Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555 ) + Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là 600mW

2.2.3.2 Hình dạng và sơ đồ chân

Hình 2.14: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 555

2.2.3.3 Chức năng từng chân của 555

Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1, 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với

tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 đến 0.75V)

Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra, khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp, còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối

Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này

có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như một chân chốt

Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3, khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R - C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động

+ VCC DISCHARGE THRESHOLD CONTROL VOLTAGE

GND TRIGGER OUTPUT RESET

2.2.3.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc của IC 555

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng gồm có:

Cầu phân áp gồm có 3 điện trở nối từ VCC xuống đất cho ra hai điện áp chuẩn 1/3VCC và 2/3VCC

ngõ vào không đảo nối ra chân 6 Tùy thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3VCC, Op-Amp có điện áp mức cao hay mức thấp để làm tín hiệu R (Reset) Điều khiển Flip-Flop

Op-Amp 2 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp 1/3VCC, còn ngõ vào đảo thì nối ra chân 2 Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp

cao xuống thấp thì mạch Flip-Flop không đổi trạng thái

Mạch Ouput là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải,

thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp ở mức cao (# VCC)

Transistor có chân C để hở, nối ra chân 7 Do B được phân cực bởi mức điện áp

ra Q của Flip-Flop, nên khi Q ở mức cao thì Transistor bảo hòa và cực C của

thì Transistor ngưng dẫn, cực C của Transistor để hở, lúc đó ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao Theo nguyên lý trên, cực C của Transistor ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4

2.3 Hoạt động của mạch

Nguyên lý hoạt động cũng dựa trên mức ánh sáng chiếu vào Phototransistor để có thể dẫn đến Transistor dẫn hoặc ngưng dẫn, sau đó dùng tín hiệu của Transistor điều khiển SCR

Vì thế VA sẽ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng chiếu vào Phototransistor, cụ thể như sau:

T 1

CC CC

T 1

T A

R

R1

VV

RR

RV









 Khi Φλ giảm (trời tối)  RT tăng  VA tăng

 Khi Φλ tăng (trời sáng)  RT giảm  VA giảm

VA được đưa vào cực B của Transistor T nên VB = VA

Mặt khác:

E A E B

Nên VBE sẽ phụ thuộc vào VA và phụ thuộc vào Φλ

 Khi Φλ giảm (trời tối)  RT tăng  VA tăng  VBE tăng (1V)  T dẫn

 Khi Φλ tăng (trời sáng)  RT giảm  VA giảm  VBE giảm (74mV)  T ngưng dẫn

Khi T dẫn sẽ có điện áp kích vào chân G của SCR, mặt khác SCR đang phân cực thuận nên SCR sẽ dẫn điện luôn, vì thế khi thiết kế mạch ta cần mắc nối tiếp SCR với một công tắt để reset sau mỗi lần SCR hoạt động

Ở ngõ ra của SCR ta mắc vào IC 555 và tụ hóa, IC 555 có tác dụng đưa điện thế ngõ ra ở mức cao khi điện thế ngõ vào ở mức cao, tụ hóa có tác dụng nạp và xả điện theo chu kỳ để các led nhấp nháy theo chu kỳ của tụ

 Khi trời sáng: SCR không dẫn nên phần mạch điều khiển phía sau chưa hoạt

động (xem hình 2.16)

 Khi trời tối:

Có dòng điện kích vào chân G, SCR dẫn nên có điện thế chạy vào chân số 2, 6 và

7 của IC 555 (mức cao) nên ngõ ra là chân số 3 cũng ở mức cao, lúc đó LED 2 được

phân cực thuận sẽ sáng lên, LED 1 phân cực nghịch sẽ không sáng (xem hình 2.17)

Hình 2.17

LED 1

LED 2

Đồng thời lúc đó tụ hóa sẽ được nạp đầy điện tích Khi nạp đầy tụ sẽ xả điện tích

và kết quả có một điện thế ngược chạy vào chân 2 và 6 của IC 555 (mức thấp) nên ngõ

ra chân số 3 cũng ở mức thấp Lúc đó LED 1 phân cực thuận nên sáng lên còn LED 2

phân cực nghịch nên không sáng (xem hình 2.18)

Hình 2.18

Khi tụ xả hết điện thì tụ lại tiếp tục được nạp điện cho đến khi đầy và lúc đó LED

2 lại sáng và LED 1 tắt Quá trình cứ thế tiếp tục và kết quả là hai đèn led sẽ nhấp nháy theo chu kỳ của tụ hóa

Ta có thể tính được chu kỳ nhấp nháy của led theo công thức sau:

T = T m + T s

Tm = 0.7 x ( R2 + R3 ) x C1: thời gian điện mức cao

Ts = 0.7 x R3 x C1: thời gian điện mức thấp

T: Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s)