Tìm hiểu về LED Tìm hiểu về IC LM393 Phân tích ứng dụng của đề tài trong thực tế Tìm hiểu về biến trở VR Tìm hiểu về phần mềm lắp đặt Fritzing Đề xuất hướng phát triển và cải tiến. Tìm hiểu về tụ gốm Tìm hiểu về điện trở Tổng họp web, giáo trình trong tài liệu tham khảo Phân tích mục đích, lý do chọn đề tài Thực hiện thiết kế lắp ráp bằng phần mềm Frizting Phân tích nguyên lý hoạt động của toàn mạch Phân tích thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI PHÂN CHIA CÔNG VIỆC-NHIỆM VỤ Nguyễn Văn A Tìm hiểu LED Tìm hiểu IC LM393 Phân tích ứng dụng đề tài thực tế Đinh Văn X Tìm hiểu biến trở VR Tìm hiểu phần mềm lắp đặt Fritzing Đề xuất hướng phát triển cải tiến Nguyễn Văn Z Tìm hiểu tụ gốm Tìm hiểu điện trở Tổng họp web, giáo trình tài liệu tham khảo Nguyễn Văn A Đinh Văn X Nguyễn Văn Z Phân tích mục đích, lý chọn đề tài Thực thiết kế lắp ráp phần mềm Frizting Phân tích ngun lý hoạt động tồn mạch Phân tích thuận lợi khó khăn thực đề tài SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: Sơ đồ nguyên lí cảm biến độ ẩm đất CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4.1 IC LM393 LM393 IC so sánh điện áp chân sử dụng rộng rãi, đóng gói SO-8 gói khác IC nhỏ tích hợp nhiều tính phù hợp để sử dụng làm so sánh IC chứa hai opamps so sánh độ xác cao riêng biệt hoạt động từ nguồn điện đơn kép Một tính khác dải điện áp cung cấp rộng nên sử dụng IC nhiều ứng dụng khác IC yêu cầu dòng điện hoạt động thấp lý tưởng để sử dụng thiết bị di động hoạt động pin Hệ thống logic đầu sử dụng mạch kỹ thuật số Dòng điện đầu tối đa IC 20mA đủ để điều khiển transistor hệ thống logic, thiết bị logic vi điều khiển Tính / Thơng số kỹ thuật IC LM393 Hai khuếch đại hoạt động so sánh điện áp riêng biệt gói Có thể hoạt động từ nguồn cấp điện đơn kép Hoạt động từ điện áp cung cấp rộng từ 2V đến 36V Yêu cầu dòng hoạt động thấp khoảng 400uA Yêu cầu dòng phân cực đầu vào bù thấp Đầu dễ dàng sử dụng để điều khiển hầu hết hệ thống logic Độ xác cao Đáng tin cậy để sử dụng thiết bị thương mại Giá thấp Thích hợp cho thiết bị di động hoạt động pin Sơ đồ chân IC LM393 Chân số (đầu A): đầu Op-amp thứ IC Chân số (đầu vào đảo ngược A): đầu vào đảo ngược Op-amp thứ IC Chân số (đầu vào không đảo ngược A): đầu vào không đảo ngược Opamp thứ IC Chân số (nối đất GND): Nối đất / âm tính cho hai Op-amp IC Chân số (đầu vào đảo ngược B): đầu vào đảo ngược Op-amp thứ hai IC Chân số (đầu vào không đảo ngược B): đầu vào không đảo ngược Opamp thứ hai IC Chân số (đầu B): đầu Op-amp thứ hai IC Chân số (Vcc): cấp điện dương Op-amp IC Các ứng dụng Mạch so sánh Phát điện áp Ứng dụng dao động Ứng dụng hệ thống logic Thay tương đương: LM193, LM293, LM2903, LM311, LM358 Lưu ý: Để có hiệu suất ổn định lâu dài với LM393, bạn không nên vận hành IC với 32V DC Không hoạt động ± 18 hoạt động với nguồn điện kép Để có hiệu suất ổn định, vận hành số vôn điện áp hoạt động tối đa Để không hoạt động với tải 20mA, gắn cẩn thận chân sơ ý chập mạch gây hư hỏng mạch bên IC gây nhiệt mạch bên Hàn sai gây hỏng mạch bên IC làm cho IC yếu khơng hoạt động mong đợi cung cấp hiệu suất không ổn định, hàn sai bao gồm mối hàn không sạch, giữ mỏ hàn 10 giây với chân hàn chân tiếp xúc 300 độ C 10 giây làm hỏng IC bên Không vận hành IC nhiệt độ độ C +70 độ C bảo quản IC nhiệt độ -65 độ C +150 độ C 4.2 ĐIỆN TRỞ Điện trở ( Resistor ) linh kiện điện tử thụ động với tiếp điểm kết nối, chức dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy mạch, dùng để chia điện áp, kích hoạt linh kiện điện tử chủ động transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện có nhiều ứng dụng khác Điện trở đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật liệu Điện trở định nghĩa tỉ số hiệu điện hai đầu vật thể với cường độ dịng điện qua Ngun lý hoạt động điện trở Theo định luật Ohm: điện áp (V) qua điện trở tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện (I) tỉ lệ số điện trở (R) Công dụng điện trở Điện trở có mặt nơi thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng thiếu , mạch điện , điện trở có tác dụng sau : Khống chế dịng điện qua tải cho phù hợp, Ví dụ có bóng đèn 9V, ta có nguồn 12V, ta đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V điện trở Mắc điện trở thành cầu phân áp để có điện áp theo ý muốn từ điện áp cho trước Phân cực cho bóng bán dẫn hoạt động Tham gia vào mạch tạo dao động R C Điều chỉnh cường độ dòng điện qua thiết bị điện Tạo nhiệt lượng ứng dụng cần thiết Tạo sụt áp mạch mắc nối tiếp Thông số kỹ thuật: Model: 10K Ohm - 1/4W Nhiệt độ hoạt động: -55oC – 155oC Linh kiện xuyên lỗ: 0.5mm Loại: Điện trở cố định Sai số: 5% Kí hiệu: 4.3 BIẾN TRỞ Biến trở loại linh kiện dùng để điều chỉnh cường độ dịng điện ứng dụng nhiều thực tế: Điều chỉnh âm tivi, thiết bị loa, độ sáng bóng đèn, tốc độ quay quạt, điều chỉnh vận tốc động Biến trở linh kiện điện trở thay đổi giá trị theo ý muốn khoảng cho phép Chúng sử dụng mạch điện để điều chỉnh hoạt động mạch điện Điện trở thiết bị thay đổi cách thay đổi chiều dài dây dẫn điện thiết bị, tác động khác nhiệt độ thay đổi, ánh sáng xạ điện từ,… Kí hiệu biến trở sơ đồ mạch điện dạng sau: Cấu tạo Biến trở gồm phận chính: – Cuộn dây làm hợp kim có điện trở suất lớn – Con chạy/chân chạy Cho khả chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng – Chân ngõ gồm có chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực cố định đầu điện trở Các cực làm kim loại Cực lại cực di chuyển thường gọi cần gạt Vị trí cần gạt dải điện trở định giá trị biến trở Nguyên lý hoạt động biến trở Đúng tên gọi làm thay đổi điện trở, nguyên lý hoạt động chủ yếu biến trở dây dẫn tách rời dài ngắn khác Trên thiết bị có vi mạch điều khiển hay núm vặn Khi thực điều khiển núm vặn mạch kín thay đổi chiều dài dây dẫn khiến điện trở mạch thay đổi Thực tế việc thiết kế mạch điện tử ln có khoảng sai số, nên thực điều chỉnh mạch điện người ta phải dùng biến trở, lúc biến trở có vai trị phân áp, phân dịng mạch Ví dụ: Biến trở sử dụng máy tăng âm để thay đổi âm lượng chiếu sáng biến trở dùng để thay đổi độ sáng đèn Ứng dụng biến trở thực tế Một ứng dụng dùng nhiều thực tế biến trở làm áp để thay đổi độ sáng đèn, tăng giảm âm lượng âm Thông số kỹ thuật: - Công suất: 2W - Các giá trị biến trở: 10K - Đường kính trục: 6mm - Chiều dài trục tiêu chuẩn: 20MM - Đường kính ngồi: 24MM - Giá trị hợp lý kháng: ± 10% - Góc quay: 300 độ - Phạm vi nhiệt độ: -10 ° C đến 85 ° C - Vòng đời quay: 15.000 vòng 4.4 TỤ GỐM Tụ gốm hay gọi tụ điện gốm tụ điện có giá trị cố định, bao gồm vật liệu gốm chất điện môi Tụ gốm chế tạo từ hai nhiều lớp gốm xứ lớp kim loại bên có nhiệm vụ hoạt động điện cực Điểm đặc biệt tụ gốm bạn kết nối mạch điện theo hướng tụ gốm thiết bị không phân cực Chính mà tụ gốm ln ưu tiên sử dụng độ an tồn đảm bảo tụ phân cực Nguyên lý hoạt động tụ gốm Nguyên lý hoạt động tụ điện gốm dựa nguyên lý phóng nạp Nguyên lý giải thích rằng: Để tạo dịng điện tụ gốm tích trữ lượng điện ắc qui nhỏ dạng lượng điện trường, lưu trữ hiệu electron sau phóng điện tích tạo dịng điện Khác với ắc qui tự sản sinh electron, tụ điện gốm khơng có khả sản sinh mà lưu trữ electron Công dụng tụ gốm Tụ gốm đem lại nhiều tác dụng tích cực cho ngành công nghiệp điện tử như: Được sử dụng trạm phát, lò cảm ứng, nguồn cung cấp lượng laser cao áp, ngắt mạch điện, ứng dụng mật độ cao, bảng mạch in, chuyển đổi DC sang DC, điều khiển động BLDC, PLC Được sử dụng chổi động DC nhằm giảm nhiễu RF Được sử dụng chủ yếu ứng dụng cần độ ổn định cao thiết bị tiêu thụ gấp Các thiết bị cung cấp kết xác giá trị điện dung tụ gốm ổn định với điện áp, tần số nhiệt độ sử dụng Nhờ vào tính chịu điện áp cao nhiều so với PCB mà loại có chân chuyên dụng sử dụng để kết nối an toàn với nguồn điện áp cao Thông thường chúng chịu điện áp từ 2kV đến 1000kV Tùy theo thành phần vật liệu gốm mà ứng dụng khác Cụ thể: Các tụ gốm loại mang lại độ ổn định cao tiêu hao thấp cho ứng dụng mạch cộng hưởng Các tụ gốm loại cung cấp hiệu suất thể tích cao cho ứng dụng đệm, by-pass khớp nối Ưu nhược điểm tụ gốm Ưu điểm Tụ gốm có nhiều ưu điểm như: Dung sai xác:Tụ gốm sử dụng chủ yếu cho ứng dụng cần độ ổn định cao thiết bị có tiêu thụ thấp Các thiết bị cung cấp kết xác giá trị điện dung tụ gốm ổn định điện áp, tần số nhiệt độ sử dụng Kích thước nhỏ gọn: Với thiết bị yêu cầu mật độ đóng gói tụ điện linh kiện có lợi lớn thiết kế nhỏ gọn so với tụ điện khác Cụ thể tụ điện gốm nhiều “0402” có kích thước vơ nhỏ khoảng 0,4 mm x 0,2 mm Công suất cao điện áp cao: Rất nhiều loại tụ gốm sản xuất để chịu điện áp cao, tụ điện lớn nhiều so với PCB Loại chịu điện áp từ 2kV đến 100kV Nhược điểm Trong trình sử dụng tì tụ gốm hay hỏng dạng bị dò bị chập Với lỗi bắt buộc phải thay tụ điện gốm khác Thông số kỹ thuật: Điện dung: 0.1uf Điện áp: 50V Nhiệt độ làm việc: -25oC - 85oC Loại: tụ điện cố định 4.5 LED ĐƠN LED (Light-emitting diode – Đi-ốt xạ ánh sáng) Bản chất LED đi-ốt, chứa chíp bán dẫn có pha tạp chất để tạo tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt( kênh P) đến K-tốt (kênh N), điện tử lấp đầy chỗ trống sinh xạ ánh sáng, bước sóng phát có màu khác tùy thuộc vào tạp chất chíp bán dẫn LED phân thành ba loại theo dải cơng suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn – LED cỡ nhỏ tiêu thụ dòng điện từ mA đến 20 mA điện áp đặt chíp từ 1.5V đến 3V, chúng thiết kế đơn phục vụ cho mục đích hiển thị trạng thái máy, chiếu sáng cục – Đèn LED cỡ trung: thiết kế có chân cắm để hàn vào mạch in thành chíp chân để giúp tản nhiệt tốt, chúng ghép thành bảng mạch với nhiều LED nối tiếp song song Loại đèn LED thường sử dụng làm biển báo, đèn chiếu hậu ô-tô, đèn chiếu sáng khẩn cấp, chúng tiêu thụ dịng điện cỡ 100 mA – LED cơng suất lớn hay HPLED tiêu thụ dòng điện vài trăm mA đến vài Ampe, tiêu thụ dòng điện lớn nên loại thiết phải gắn với tỏa nhiệt tốt, không HPLED hỏng sau vài giây Hiệu suất HPLED cao lên tới 105 lm/W Ứng dụng HPLED để thay loại đèn chiếu sáng nhà, ngồi trời Bản thân cơng nghệ LED cho phép phát sáng đến 100.000 h Nguyên lý hoạt động đèn LED dựa công nghệ bán dẫn Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự mang điện tích dương nên ghép với khối bán dẫn N (Chứa điện tử tự do) lỗ trống có xu hướng chuyển động khuyếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống dư thừa điện tử) khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, số điện tử bị lỗ trống thu hút chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường kết hợp với tạo thành ngun tử trung hịa Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng (hay xạ điện từ có bước sóng gần đó) Mức lượng, màu sắc LED phụ thuộc vào cấu trúc lượng nguyên tử chất bán dẫn Do đó, tùy theo mức lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác nhau, tức màu sắc LED khác LED thường có điện phân cực thuận cao điốt thông thường, khoảng 1,5 đến 3V Nhưng điện phân cực nghịch LED khơng cao Do LED dễ bị hư hỏng điện ngược gây Màu sắc ánh sáng LED chất liệu liên kết bán dẫn PN định Khi khoảng trống liên kết PN với chất liệu khác nhau, khoảng trống lớn, lượng điện tử lỗ trống kết hợp với tạo lượng ánh sáng lớn Năng lượng dạng ánh sáng màu ánh sáng mà mắt thường thấy được, ánh sáng màu xanh dương, màu tím mang lượng nhiều nhất, màu đỏ, màu cam mang lượng nhất, nhà sản xuất ứng dụng chất liệu cho liên kết PN khác nhận LED có màu sắc khác LED có ba loại màu phổ biến là: Màu đỏ, màu xanh lá, xanh dương, tạo thành màu (RGB), thường sử dụng chip màu nhiều chip có màu khác để sản xuất LED Ánh sáng màu trắng LED hình thành theo hai nguyên tắc sau Nguyên tắc 1, ứng dụng màu RGB để hợp thành, chip với màu RGB tích hợp bóng LED, màu đỏ 21%, màu xanh 69%, màu xanh dương 10% Nguyên tắc hai, sử dụng bột huỳnh quang (phốt pho) để tạo màu trắng cho ánh sáng Bạn phủ lên bề mặt chip màu xanh dương lớp phốt NdYAG (màu vàng) để tạo thành màu trắng dùng phốt YAN phủ lên tinh thể màu xanh dương inGaN có bước sóng 460nm, lớp phốt với ánh sáng xanh dương phát kết hợp tạo ánh sáng vàng có bước sóng 555nm Sau ứng dụng ngun lý thấu kính kết hợp ánh sáng vàng ánh sáng xanh dương tạo ánh sáng trắng mà mắt thường thấy được, kỹ thuật ứng dụng nhiều để tạo ánh sáng màu trắng LED Cấu tạo gồm: phần tử phát sáng LED, nguồn, mạch in tỏa nhiệt, vỏ Bộ phận tản nhiệt bóng đèn LED: Phần tản nhiệt cho đèn LED thiết kế nhằm đưa phần tinh thể phát sáng xuống nhiệt độ thấp nhanh nhất, phận đặc biệt quan trọng thiết kế đèn LED công suất lớn, phận tản nhiệt có kết cấu khơng phù hợp phần tử LED nhanh bị già, hiệu suất phát sáng giảm đáng kể Bộ nguồn cung cấp bóng đèn LED: Bộ nguồn cấp điện cho đèn LED phải đảm bảo cung cấp dòng điện điện áp ổn định phù hợp lới loại LED sử dụng linh kiện chế tạo nguồn phải có tuổi thọ sử dụng tương đương với tuổi thọ LED Với loại đèn công suất nhỏ nguồn đơn giản nguồn áp kết với điện trở hạn dòng cho LED với LED cơng suất trung bình lớn cần tạo nguồn dòng cho LED Vỏ đèn: Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định bền, vỏ đèn chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả tỏa nhiệt nhanh chóng Do sử dụng đèn LED vào yếu tố để đưa định mua hàng Mạch in đèn: Chất lượng mạch in, chất lượng mối hàn LED với mạch in ảnh hưởng đến lớn đến độ bền đèn, điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt nam, chất lượng mạch in mối hàn khơng tốt dễ gây oxi-hóa đứt mạch in, không tiếp xúc làm cho đèn phát sáng sau thời gian sử dụng Trong thực tế người ta sử dụng mạch in thường, nhôm, gốm cho phép tản nhiệt nhanh cho loại LED cơng suất trung bình lớn Loại mạch in gắn liền với tản nhiệt bóng đèn LED 5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT - Trạng thái đầu mức thấp (0V), đất thiếu nước đầu mức cao (5V), độ nhạy cao điều chỉnh biến trở Cảm biến độ ẩm đất sử dung tưới hoa tự động khơng có người quản lý khu vườn bạn dùng ứng dụng tương tự trồng Độ nhạy Cảm biến phát độ ẩm đất tùy chỉnh (Bằng cách điều chỉnh chiết áp màu xanh board mạch) Phần đầu đo cắm vào đất để phát độ ẩm đất, độ ầm đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu DO chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao Thông Số Kỹ Thuật mạch + Điện áp hoạt động: 3.3V-5V + Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm + IC so sánh : LM393 + VCC: 3.3V-5V + GND: 0V + DO: Đầu tín hiệu số (0 1) + AO: Đầu Analog (Tín hiệu tương tự) Hoạt động board - Khi cấp nguồn, led báo nguồn sáng, - Mạch có đầu D0 A0 tương ứng với digital output analog output - Board mạch tích hợp mạch phân áp mạch so sánh sử dụng opam - Mạch phân áp đưa tín hiệu đầu analog đưa vào chân so sánh mạch opam chân đầu analog -Mạch so sánh có chức so sánh đưa tính hiệu logic (1 or 0) đầu digital Ngồi board cịn tích hợp led gồm led báo nguồn led báo trạng thái - Ở chân digital output: Mạch hoạt động sau: Cài đặt ngưỡng so sánh biến trở Điện trở cảm biến tỷ lệ thuận với độ ẩm, độ ẩm cao điện trở cao, mặt khác theo sơ đồ phân áp, điện áp đầu mạch phân áp tỉ lệ thuận với điện trở cảm biến, độ ẩm đất tỷ lệ thuận với điện áp đầu Khi thay đổi độ ẩm -> điện trở cảm biến thay đổi dẫn đến điện áp đầu đưa vào cổng so sánh opam thay đổi, điện áp so sánh với điện áp đặt đặt biến trở, điện áp đọc từ cảm biến chưa vượt qua ngưỡng đặt đầu D0 mức thấp led báo trạng thái không sáng, điện áp đầu vào vượt qua ngưỡng đặt đầu D0 mức cao led báo trạng thái sáng lên - Ở chân analog output: chân nối trực tiếp với mạch phân áp cảm biến không qua mạch so sánh opam, đưa trực tiếp tín hiệu điện áp tới đầu A0, phục vụ cho mục đích đo lường, quan trắc, giảm sát,… THIẾT KẾ LẮP ĐẶT THUẬN LỢI-KHÓ KHĂN KHI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Thuận lợi: Mạch thiết kế yêu cầu, hợp lí, bố cục mạch dễ nhìn, khoa học, khơng câu dây, chồng chéo lên Đề tài cung cấp thêm kiến thức linh kiện điện tử, vấn đề Điện tử, cảm biến Giúp sinh viên sử dụng thành thạo phần mềm lắp đặt mạch board Frizting Khó khăn: Mạch điện chưa có sản phẩm thực tế, dừng lại lắp đặt board Fritzing, chưa tiếp cận với ứng dụng thực tế nhiều hạn chế khác tình hình dịch bệnh phức tạp… ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN + Đọc độ ẩm đất + Hệ thống tưới tiêu tự động +Cảm biến độ ẩm đất sử dụng cho ứng dụng nông nghiêp, tưới nước tự động cho vườn đất khô, dùng ứng dụng hệ thống nhà thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO https://dientutuonglai.com/tim-hieu-lm393.html https://thegioidienco.vn/dien-tro-la-gi.html https://doluongtudong.com/bien-tro-la-gi/ https://uniduc.com/vi/blog/tu-gom-la-gi-nguyen-ly-va-cau-tao-cua-tugom http://vuabongdenled.com/bong-den-led-zodi/cau-tao-va-nguyen-lyhoat-dong-cua-bong-den-led.html