Chế tạo bộ thí nghiệm đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere một số linh kiện điện tử nhằm phục vụ giảng dạy vật lí 11 trung học phổ thông

Bài viết trình bày việc nghiên cứu và chế tạo một bộ thí nghiệm có khả năng đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere của một số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) trong khoảng thời gian ngắn (1 phút/thí nghiệm), có khả năng kết nối với máy vi tính thông qua Bluetooth nhằm tương tác với người sử dụng.

UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Nhận bài: 11 – 06 – 2018 Chấp nhận đăng: 20 – 08 – 2018 http://jshe.ued.udn.vn/ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẠC TỰ ĐỘNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NHẰM PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VẬT LÍ 11 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Nguyễn Tấn Pháta*, Phan Nhựt Huânb, Trần Thanh Phươngb, Ngơ Minh Nhựtb, Nguyễn Lâm Duyb Tóm tắt: Trong chương trình Vật lí 11 trung học phổ thơng, kiến thức định luật Ohm đặc tuyến Volt - Ampere diode, transistor kiến thức quan trọng lại trừu tượng khó giảng giải cho học sinh Trong báo cáo này, thí nghiệm chế tạo với khả đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere điện trở, diode transistor khoảng thời gian ngắn với độ xác cao kết nối với máy vi tính thơng qua bluetooth Các số liệu đo đạc cập nhật liên tục biểu diễn giao diện máy vi tính nên học sinh quan sát trực tiếp đặc tuyến Volt - Ampere linh kiện nhằm rút nhận xét kết luận, qua kích thích hứng thú học sinh học góp phần phát triển lực thực nghiệm cho học sinh Từ khóa: đặc tuyến Volt - Ampere; vi điều khiển; tự động; Bluetooth Giới thiệu Thí nghiệm đóng vai trị quan trọng Vật lí nói riêng mơn khoa học tự nhiên nói chung, giúp cho người thấu hiểu chất tượng thực tế xảy xung quanh [3] Một số nghiên cứu rằng, việc giảng dạy Vật lí thơng qua thí nghiệm giúp học sinh tiếp thu kiến thức tốt so với phương pháp truyền thống, đặc biệt với nội dung khó trừu tượng [1, 2] Ngồi ra, việc kết hợp giảng dạy Vật lí thơng qua thí nghiệm cịn giúp học sinh rèn luyện kĩ thực hành góp phần phát triển lực khoa học, lực thực nghiệm phát triển trí tuệ cho học sinh [2] Trong chương trình Vật lí lớp 11 THPT, phần Điện học đóng vai trị quan trọng chiếm phần lớn nội dung chương trình Trong số đó, kiến thức định luật Ohm, đặc tuyến Volt - Ampere diode transistor kiến thức khó hình dung tương đối trừu tượng, cần phải có thí nghiệm để hỗ trợ cho việc giảng a,bTrường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh * Liên hệ tác giả Nguyễn Tấn Phát Email: phatnt@hcmup.edu.vn 92 | dạy Hiện nay, nước nghiên cứu xây dựng thí nghiệm nhằm phục vụ cho việc giảng dạy nội dung kiến thức kể đến thí nghiệm khảo sát đặc tuyến diode transistor Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật TP Hồ Chí Minh [4] Trường Đại học Thủ Dầu Một [5], hay thí nghiệm hãng sản xuất thiết bị giáo dục nước Phywe Hai thí nghiệm nước có cấu tạo đơn giản, thực thí nghiệm hồn tồn thủ cơng, đòi hỏi phải lắp ráp mạch điện tương đối phức tạp khơng kết nối với máy vi tính Ngược lại, thí nghiệm nước ngồi có khả ghi nhận liệu tự động có giá thành cao, khơng phù hợp với điều kiện giảng dạy Việt Nam Dựa trình phân tích ưu nhược điểm sản phẩm có, ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật, đặc biệt công nghệ vi điều khiển kết nối không dây, báo cáo trình bày việc nghiên cứu chế tạo thí nghiệm có khả đo đạc tự động đặc tuyến Volt - Ampere số linh kiện điện tử (điện trở, diode, transistor) khoảng thời gian ngắn (1 phút/thí nghiệm), có khả kết nối với máy vi tính thơng qua Bluetooth nhằm tương tác với người sử dụng Với thí nghiệm này, giáo viên Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 thực thí nghiệm lớp học, kết đo đạc hiển thị trực tiếp dạng đồ thị học sinh quan sát q trình đo rút nhận xét, kết luận Điều giúp phát triển tư cho học sinh mà cịn kích thích hứng thú học tập góp phần phát triển lực thực nghiệm cho học sinh Hình (a) Bộ thí nghiệm khảo sát đặc tuyến Volt - Ampere diode zener Trường Đại học Thủ Dầu Một [5] (b) thí nghiệm khảo sát định luật Ohm Phywe Hình Tóm tắt q trình nghiên cứu, xây dựng thí nghiệm Nội dung nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu Bộ thí nghiệm xây dựng sở phân tích ưu nhược điểm sản phẩm loại có ngồi nước, với tiếp thu ý kiến đóng góp chuyên gia lĩnh vực điện tử tự động để hình thành ý tưởng ban đầu phát thảo mơ hình thí nghiệm Sau đó, dựa phương pháp thực nghiệm kiến thức điện tử tự động hố, thí nghiệm xây dựng theo quy trình tóm tắt Hình 2.2 Cấu trúc hoạt động thí nghiệm 2.2.1 Cấu trúc thí nghiệm Vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trị trung tâm điều khiển, có nhiệm vụ nhận thơng số q trình đo đạc (linh kiện cần đo, hiệu điện cần đo nhỏ lớn nhất, bước nhảy điện thế) người dùng quy định từ phần mềm máy vi tính từ nút nhấn bề mặt hộp thí nghiệm, sau điều khiển mạch đo để xuất giá trị hiệu điện mong muốn, đo cường độ dòng điện qua linh kiện gửi cặp giá trị đo đạc lên máy vi tính hiển thị lên hình LCD 93 Nguyễn Tấn Phát, Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương, Ngô Minh Nhựt, Nguyễn Lâm Duy Hình Cấu trúc thí nghiệm Hình Sơ đồ mạch đo hiệu điện cường độ dịng điện linh kiện điện tử Hình Chương trình giao tiếp với người sử dụng máy vi tính 2.2.2 Mạch điện tử đo hiệu điện cường độ dòng điện Để xây dựng đặc tuyến Volt - Ampere linh kiện, ta đặt hiệu điện U vào hai đầu linh kiện đo cường độ dòng điện I qua linh kiện Mạch điện tử để đo hiệu điện cường độ dòng điện qua linh kiện điện tử có cấu tạo Hình Bằng cách thay đổi điện VB chân B transistor lưỡng cực (BJT) loại NPN (mã số C828A) thông qua IC DAC0808, ta làm thay đổi dòng IC qua linh kiện cần đo, nghĩa làm thay đổi hiệu điện hai đầu linh kiện Giá trị hiệu điện hai đầu linh kiện ghi nhận thơng qua chuyển 94 đổi tín hiệu tương tự - số (ADC - Analog to Digital Converter) vi điều khiển PIC16F877A Vì dịng IB có giá trị nhỏ nên xem gần I C ; I E cách sử dụng ADC vi điều khiển, ta xác định điện chân E transistor, nghĩa xác định dòng IE qua điện trở 10 2.2.3 Giao diện giao tiếp với người sử dụng máy vi tính Bộ thí nghiệm kết nối khơng dây với máy vi tính thơng qua Bluetooth module HC-05 Một phần mềm xây dựng tảng Visual Basic (Hình 5) ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 nhằm phục vụ cho việc tương tác người sử dụng với thí nghiệm Chương trình xây dựng tương đối đơn giản đầy đủ chức cần thiết Người dùng thiết lập thơng số cho q trình đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere linh kiện điện tử, quan sát trực tiếp trình đo đạc liệu cập nhật liên tục tự động lên đồ thị Bằng cách này, học sinh quan sát dạng đồ thị tự rút kiến thức định luật Ohm dạng đặc tuyến Volt - Ampere diode transistor Kết nghiên cứu 3.1 Bộ thí nghiệm hồn chỉnh Bộ thí nghiệm đặt hộp có kích thước nhỏ gọn (19x12x6cm) Hình Các linh kiện Thiết bị cần đo Các nút nhấn Màn hình LCD 19 cm (điện trở, diode, transistor) đóng gói hộp cắm trực tiếp lên bề mặt hộp thí nghiệm Bộ thí nghiệm sử dụng nguồn điện 220V dân dụng Bộ thí nghiệm hoạt động hai chế độ: thủ công tự động Ở chế độ thủ công, người dùng thiết lập thông số q trình đo đặc tuyến thơng qua nút nhấn, kết đo đạc hiển thị hình LCD Ngược lại, chế độ tự động, phần mềm máy vi tính nơi thiết lập thơng số đo đạc đồng thời hiển thị kết đo đạc đặc tuyến Volt Ampere dạng đồ thị Để đánh giá hoạt động mức độ xác, thí nghiệm sử dụng để đo đặc tuyến Volt - Ampere điện trở, diode transistor biết trước thông số nhà sản xuất Chương trình giao tiếp máy vi tính Hộp thiết bị đo Hình (a) Bộ thí nghiệm hồn chỉnh (b) kết nối máy vi tính qua Bluetooth 3.2 Khảo sát định luật Ohm cho điện trở Thực đo đặc tuyến Volt - Ampere điện trở giá trị (150  7,5)  khoảng từ 0V đến 3,3V, kết dạng đường thẳng qua gốc toạ độ Giá trị điện trở suy từ đồ thị liệt kê Bảng đo đạc thể Hình Rđo = (148,23 0,54)  Đồ thị mô tả đặc tuyến Volt - Ampere điện trở đo đạc có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ, điều phản ánh định luật Ohm Bằng cách làm khớp điểm thực nghiệm với đường thẳng có dạng Y = A + BX, ta tính giá trị điện trở từ số liệu Rđo = 148,23, có độ lệch tương đối 1,1% so với giá trị nhà sản xuất cung cấp Kết thể mức độ xác cao việc đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere điện trở thí nghiệm Rmẫu = (150,0 7,5)  Tiếp tục thực thí nghiệm với số điện trở khác thu đặc tuyến Volt - Ampere có Hình Đặc tuyến Volt - Ampere điện trở (150  7,5)  đo đạc thí nghiệm 95 Nguyễn Tấn Phát, Phan Nhựt Huân, Trần Thanh Phương, Ngô Minh Nhựt, Nguyễn Lâm Duy Bảng Kết đo đặc tuyến Volt - Ampere số điện trở STT 10 11 Giá trị nhà sản xuất () 33 ± 1,6 47 ± 2,4 100 ± 5,0 147 ± 7,4 200 ± 10 220 ± 11 330 ± 17 470 ± 24 680 ± 34 820 ± 41 1000 ± 50 Giá trị đo () 26,2 ± 1,7 39,5 ± 1,1 95,65 ± 0,77 143,89 ± 0,59 200,62 ± 0,83 225,71 ± 0,95 335,5 ± 1,2 495,9 ± 3,8 719,1 ± 4,0 844,4 ± 3,9 964,57 ± 4,5 Độ lệch tương đối (%) 20% 16% 4,4% 2,1% 0,3% 2,6% 1,7% 5,5% 5,7% 2,9% 3,5% Hình Đặc tuyến Volt - Ampere diode (trái) transistor NPN (phải) Kết phép đo điện trở có giá trị nhỏ 100 mắc phải sai số tương đối lớn Tuy nhiên, sai số giảm mạnh đo đạc điện trở lớn với độ lệch tương đối lớn 5,7% Như vậy, kết luận thí nghiệm cho kết có độ xác cao với điện trở có giá trị lớn cần phải hiệu chỉnh lại với điện trở có giá trị nhỏ 100 3.3 Khảo sát đặc tuyến Volt - Ampere diode transistor Tiến hành trình đo đạc đặc tuyến Volt Ampere diode transistor lưỡng cực NPN mã số C828A với dòng qua cực Base transistor 0,2; 0,4; 0,6 0,8mA thu kết Hình 96 Kết thực nghiệm phản ảnh dạng đặc tuyến Volt - Ampere diode transistor loại NPN điển hình Từ đồ thị, ta suy số thơng số đặc trưng linh kiện, chẳng hạn điện áp ngưỡng diode U ng = ( 0,612  0,059 ) V , điện trở diode vùng hoạt động tuyến tính R = (1,63  0,16) V dịng điện bão hồ tương ứng với dịng IB khác transistor 3,96; 11,87; 20,40 29,30mA Nhận xét, đánh giá Bộ thí nghiệm có khả thực đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere linh kiện điện tử tương đối xác với thao tác đơn giản nhanh chóng Từ kết thu được, giáo viên yêu cầu gợi ý cho học sinh nhận xét dạng đặc tuyến linh kiện ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),92-97 điện tử, tự tính tốn thơng số đặc trưng linh kiện để tự lĩnh hội kiến thức, phát triển khả tính tốn tư thực nghiệm học sinh Tuy nhiên, thí nghiệm cần hiệu chỉnh cho khả đo đạc đặc tuyến điện trở có giá trị nhỏ cho độ xác cao Nếu khắc phục nhược điểm này, thí nghiệm sử dụng lớp tiết dạy giáo viên để minh hoạ cho học sinh, sử dụng buổi học thực hành Vật lí Tài liệu tham khảo [1] A Hofstein, V.N Lunetta (2004) The laboratory in science education: Foundations for the TwentyFirst Century Science Education, 88(1), 28-54 [2] C Tsihouridis, D Vavougios, G.S Ioannisdis, A Alexias, C Argyropoulos, S Poulios (2015) The effect of teaching electric circuits switching from real to virtual lab or vice versa - A case study with junior high-school learners Proceedings of 2015 International Conference on Interactive Collaborative Learning, IEEE, 643-649 [3] D Psillos and H Niedderer (2002) Issues and Questions Regarding the Effectiveness of Labwork in Teaching and Learning in the Science Laboratory Eds Dordrecht: Kluwer, 21-30 [4] Lê Sơn Hải, Trần Thị Khánh Chi (2016) Nghiên cứu, xây dựng hoàn thiện hệ thống đo đạc giao tiếp cho thí nghiệm vật lý khảo sát đặc tuyến diode transistor Đề tài NCKH sở mã số T2015-107, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Thanh Tùng (2017) Thiết kế số thí nghiệm vật lý đại cương Tạp chí Khoa học Trường Đại học Thủ Dầu Một, 2(33), 154-160 FABRICATING AN EXPERIMENTAL SYSTEM TO AUTOMATICALLY MEASURE I-V CURVES OF SOME DEVICES FOR TEACHING PHYSICS IN HIGH SCHOOL (GRADE 11) Abstract: Ohm’s law and I-V curves of diode and transistor are some of the most important and basic knowledge in PhysicsGrade 11 program However, those are quite abstract and teachers found it difficult to deliver knowledge to students, therefore, fabricating demonstrative models is an urgent requirement A new experimental toolkit was built which can measure the I-V curves of resistors, diodes and transistors in a short duration with high precision In addition, it can also connect with a personal computer via Bluetooth for interacting with users The measured data are updated automatically onto computer and demonstrated as a graph, which allows students to follow and acquire knowledge by themselves This experimental system is expected to improve the learning excitement and practical capacity for students Key words: I-V curves; microcontroller; automatically; Bluetooth 97 ... việc đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere điện trở thí nghiệm Rmẫu = (150,0 7,5)  Tiếp tục thực thí nghiệm với số điện trở khác thu đặc tuyến Volt - Ampere có Hình Đặc tuyến Volt - Ampere điện trở (150... thơng số cho trình đo đạc đặc tuyến Volt - Ampere linh kiện điện tử, quan sát trực tiếp trình đo đạc liệu cập nhật liên tục tự động lên đồ thị Bằng cách này, học sinh quan sát dạng đồ thị tự rút... đặt hiệu điện U vào hai đầu linh kiện đo cường độ dòng điện I qua linh kiện Mạch điện tử để đo hiệu điện cường độ dòng điện qua linh kiện điện tử có cấu tạo Hình Bằng cách thay đổi điện VB chân