Mạch dao động tự kích tạo xung vuông với chu kì 20 ms dùng IC NE555 hiển thị trên đèn LED là một thiết bị đơn giản, giá thành thấp, được sử dụng với máy ảnh kĩ thuật số rất phổ biến hiện nay, có thể đánh dấu mọi quỹ đạo chuyển động của vật và cho phép đo chính xác thời gian và quãng đường mà vật đi được trên quỹ đạo. Từ đó ta có thể khảo sát các tính chất chuyển động của vật.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci 2010, Vol 55, No 8, pp 22-27 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐÁNH DẤU VỊ TRÍ CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG BẰNG ĐÈN LED ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC PHẦN CƠ HỌC Nguyễn Văn Biên Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Mở đầu Các đại lượng học nhiều thí nghiệm học thơng qua mối quan hệ tọa độ vật thời gian Để thực thí nghiệm địi hỏi phải có thiết bị đánh dấu vị trí vật theo thời gian Hiện trường phổ thơng, có phương án đánh dấu vị trí vật như: Cần rung điện nằm cố định; Thiết bị đánh dấu tương tác từ gắn vật chuyển động; Thiết bị đánh tia lửa điện; Chụp ảnh hoạt nghiệm; Cảm biến chuyển động Phương án sử dụng cần rung điện đặt nằm cố định có sai số đáng kể điện áp dân dụng không ổn định 220V, vật liệu làm cần rung điện (lá thép), cuộn dây nam châm từ đưa tần số rung khơng xác mức 50Hz Hơn nữa, việc cần rung điện đặt nguyên vị trí đánh dấu băng giấy thực chất đánh dấu vị trí vật chuyển động tương đối ghi lại trực tiếp vị trí vật Thiết bị đánh dấu tương tác từ gắn vật chuyển động khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu số chuyển động vật mặt phẳng nằm ngang mặt phẳng nghiêng Còn chuyển động chuyển động rơi tự do, chuyển động ném ngang, chuyển động phức tạp vật thể, tay, chân không khảo sát Phương án sử dụng thiết bị đánh tia lửa điện có độ xác dễ gây nguy hiểm cho người sử dụng thí nghiệm vật lí phổ thơng Phương án chụp ảnh hoạt nghiệm đại khảo sát chuyển động nhanh mà mắt thường không cảm nhận được, thiết bị đắt tiền, cồng kềnh cần đến kĩ thuật chụp ảnh cao, khơng phù hợp với thí nghiệm phổ thông Một xu hướng dạy học đại tăng cường việc giao nhiệm vụ cho học sinh khảo sát đối tượng, q trình thực Ví dụ phần Động học, ngồi việc nghiên cứu chuyển động vật thể phịng thí nghiệm, cần mở rộng thêm đối tượng sống vào nội dung dạy học, chẳng hạn khảo sát quy luật chuyển động bàn tay, bàn chân vận động viên môn thể thao ném xa, bóng chuyền, bóng đá quy luật chuyển 22 Thiết kế chế tạo thiết bị đánh dấu vị trí vật chuyển động động người xe đạp, người chạy Để xác định vị trí vật này, người ta thường dùng cảm biến chuyển động có kết nối với máy vi tính Những thiết bị đắt tiền sử dụng phức tạp, chưa thực phù hợp với điều kiện dạy học nước ta Từ lí trên, cần có thiết bị đánh dấu vị trí vật để sử dụng khơng phịng thí nghiệm mà khơng gian rộng, có giá thành phù hợp với điều kiện dạy học 2.1 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đánh dấu tọa độ vật theo thời gian hiển thị đèn LED điều khiển mạch sử dụng IC NE555 Từ ưu, nhược điểm thiết bị thí nghiệm đánh dấu vị trí vật chuyển động có trên, xây dựng thiết bị để đánh dấu tọa độ vật theo thời gian hiển thị đèn LED điều khiển mạch sử dụng IC NE555 Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc sau: Dùng IC NE555 điều khiển đèn LED chiếu sáng 10 ms lại dừng 10 ms liên tiếp Chụp ảnh vật cần đánh dấu tọa độ có gắn đèn LED máy ảnh kĩ thuật số với thời gian mở ống kính đủ lớn (khoảng s) để ghi lại trình chuyển động vật thời gian Mạch tạo xung điều khiển đèn tắt, sáng liên tiếp thời gian 10 ms có nguyên tắc hoạt động Hình Trong mạch này, ta sử dụng IC NE555, chân nối với chân chân ngõ vào chân giữ mức thềm (mức ngưỡng) có chung điện áp phân cực Chân nối với tụ C2 xuống GND để lọc nhiễu tần số cao Vì vậy, tụ thường có giá trị khơng lớn lắm, chọn vào khoảng từ 10 nF đến µF Chân nối nguồn Vcc khơng dùng chức Reset Chân chân xả điện nên nối điện trở RA RB làm đường nạp xả điện cho tụ C1 Khi cấp nguồn Vcc , nửa chu kì đầu, Hình Mạch ngun lí tạo tụ C1 nạp điện thông qua RA RB Thông thường đoạn mạch dao động, ta có cơng xung vng dùng thiết bị thức tính thời gian ngưng dẫn Transistor là: T = RC ln = 0, 693RC Thời gian ngưng dẫn mức áp cao lúc tụ C1 nạp dòng qua RA 23 Nguyễn Văn Biên RB Hằng số thời gian nạp thời gian đèn LED không sáng: Tn = 0, 693(RA + RB )C1 Đồng thời RA RB làm nhiệm vụ phân cực bên IC, lúc mạch tự dao động Sau tụ C1 nạp đầy, nửa chu kì sau, tụ C1 phóng điện thơng qua RB vào chân Thời gian ngưng dẫn mức áp thấp lúc tụ C2 xả dòng qua RB Hằng số thời gian xả thời gian đèn LED phát sáng: Tx = 0, 693RB C1 Chân nối với chân C Transistor IC NE555, chân nối với chân E Transistor, chân nối với chân B transistor IC NE555 Tụ C1 phóng điện qua RB vào chân DISCHARGE (chân C Transistor IC NE555) làm Transistor kích mở tín hiệu chân TRIGGER OUTPUT (chân B Transistor IC NE555) Transistor phóng điện xuống chân GND (chân E Transistor IC NE555) Như vậy, tín hiệu đầu chân nối LED khuếch đại điều khiển với chu kì tổng thời gian nạp thời gian xả (thời gian nạp thời gian xả không (Tn > Tx )): T = Tn + Tx = 0, 693(RA + 2RB )C1 Vậy, tần số tín hiệu xung vng là: f= 1, 44 = T (RA + 2RB )C1 Như vậy, muốn thay đổi độ lớn tần số dao động mạch cần thay đổi giá trị RA , RB C1 Tuy nhiên, thay đổi giá trị RA RB không thơi tần số f độ rộng xung (duty cycle) bị thay đổi lúc Muốn thay đổi tần số (giữ nguyên độ rộng xung) RA , RB phải thay đổi lúc (cùng tăng giảm giá trị nhau) Muốn thay đổi độ rộng xung (giữ nguyên tần số) RA RB phải thay đổi lúc có chiều ngược lại (khi RA tăng RB giảm giá trị nhau) Trong thực tế thiết kế mạch, để có dạng xung vng đối xứng, thực hai phương pháp sau: - Vì thời gian nạp thời gian xả khơng (Tn > Tx ) nên chọn giá trị RA