CHƢƠNG 2 : GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI
3. TỔNG QUÁT VỀ IC 555
3.2. Chức năng từng chân IC555
Chân số 1(GND): Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
Chân số 2 -ngõ nảy (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đƣợc dùng nhƣ 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor NPN với mức điện áp chuẩn là 2/3VCC.
Chân số 3 - ngõ ra (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra đƣợc xác định theo mức 0 và 1. Ở đây 1 là mức cao, nó tƣơng
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tƣơng đƣơng với 0V, nhƣng trong thực tế mức 0 này không đƣợc 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 - 0.75V).
Chân số 4 - (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse 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. Nhƣng trong mạch để tạo đƣợc dao động thƣờng hay nối chân này lên VCC.
Chân số 5- điện thế điều khiển VCC(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng đƣợc nhƣng để giảm trừ nhiễu ngƣời ta thƣờng nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện trị số từ 0.01𝜇F đến 0.1𝜇F các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn đƣợc ổn định.
Chân số 6 ngõ ngƣỡng (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng đƣợc dùng nhƣ một chân chốt.
Chân số 7 ngõ xả (DISCHAGER): Là 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, ngƣợc lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C, lúc IC 555 dùng nhƣ một tầng dao động .
Chân số 8 - (VCC): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Nó đƣợc cấp điện áp từ 2V 18V (tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555).[2]
3.3. Sơ đồ cấu trúc và chức năng chính của IC 555 3.3.1. Hình dạng và sơ đồ cấu trúc
Hình 2.6: Hình dạng và sơ đồ cấu trúc của IC555.
3.3.2. Chức năng chính của các bộ phận IC 555
Cầu phân áp gồm có 3 điện trở nối từ VCC xuống đất cho ra hai điện áp chuẩn 1/3VCC và 2/3VCC.
OPA1 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào đảo nhận điện áp 2/3VCC, còn ngõ vào không đảo thì nối ra chân 6. Tùy thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3VCC, OPA 1 có điện áp ra ở mức cao (H) hay mức thấp (L) để làm tín hiệu R (Reset), điều khiển FF.
OPA2 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 chuẩn 1/3VCC OPA2 có điện áp ra ở mức cao hay mức thấp để làm tín hiệu S (Set), điều khiển FF.
Mạch FF là loại mạch lƣỡng ổn kích một bên. Khi chân Set có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của FF ở ngõ ra Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi chân Set đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch FF không đổi trạng thái. Khi chân Reset có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của FF làm ngõQ lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset mức cao xuống thấp thì mạch FF không đổi trạng thái.
Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân của Q FF, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (# 0V) và ngƣợc lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (# VCC).
Transistor T1 có chân E nối với điện áp chuẩn khoảng 1.4V, là loại transistor NPN. Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1.4V thì T1 ngƣng dẫn, nên T1 không ảnh hƣởng tới mạch. Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối đất thì T1 dẫn bảo hòa đồng thời làm mạch Output cũng dẫn bão hòa và ngõ ra ở mức thấp. Chân 4 gọi là chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần thiết. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên nguồn VCC để tránh bị Reset do nhiễu.
Trasistor T2 là transistor có chân C để hở, nối ra chân 7. Do B đƣợc phân cực bởi mức điện áp ra Q của Flip-Flop, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi nhƣ nối đất. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngƣng dẫn, cực C của T2 để hở, lúc đó ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống nhƣ mức điện áp của ngõ ra chân 4.[2]
4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI
4.1. Thiết kế về mạch còi
4.1.1. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in
4.1.2. Chức năng các linh kiện và nguyên lý hoạt động của mạch
Chức năng của các linh kiện. Hai IC 555 dùng để tạo dao động.
Đầu tiên là IC 1 đƣợc làm việc xung quanh tần số là 1Hz và tụ C1 =47µF đƣợc nạp điện và sau đó xả điện liên tục, quá trình này cứ diễn ra liên tục nhƣ vậy.
Hình 2.7: Mạch nguyên lý còi báo động.
Tụ C2 dùng để lọc nhiễu.
Nguyên lý hoạt động của mạch dựa vào sơ đồ khối IC 555. Sau khi cấp nguồn 5 – 18 V, điện thế của tụ C1 = 0V. - Đối với OPA1: V+
< V- (vì V- = 2/3 VCC, còn V+ ≈ 0 V). nên ngõ ra R = 0
- Đối với OPA2: V+
< V- (V+ = 1/3 VCC, còn V- = 0V). nên ngõ ra S = 1
R = 0, S = 1 thì Q0 = 0 nên ngõ ra ở chân số 3 là mức cao (VCC), đồng thời điện thế VCC nạp lại tụ C1 qua R1 và VR1.
Khi điện thế của tụ đƣợc nạp đến 2/3VCC, thì: - Đối với OPA1: Vẫn nhƣ cũ (R = 0). nên ngõ ra R = 0
- Đối với OPA2: V+
< V- (V+ = 1/3 VCC, còn V- = 2/3VCC). nên ngõ ra S = 0
R = 0, S = 0 thì Q = Q0 = 0, hay Q0 = Q0 = 1 nên ngõ ra ở mức thấp (0V). Tụ C1 xả điện vào ngã xả (chân 7) về hƣớng 0V.
Khi điện thế của tụ dần đến dƣới 1/3VCC, flip flop trở về trạng thái nhƣ lúc mới cấp nguồn. Quá trình này cứ diễn ra liên tục, nên IC 1 tạo dao động xung quanh tần số 1Hz và điều khiển IC 2 qua chân 5.
IC 2 hoạt động tƣơng tự IC 1, chỉ khác ở chỗ chân số 5 đƣợc điều khiển bởi tần số 1 Hz mà IC 1 tạo ra.
Tần số ra loa đƣợc điều chế bởi IC 2 ở chân số 3 và ta nghe đƣợc âm thanh ra loa. Hai biến trở VR1, VR2 và điện trở R1, R2 dùng để điều chế tần số tín hiệu ra.
-Ứng dụng IC 555: Với việc lắp mạch dễ dàng, rẻ và có thể điều chỉnh tần số của
4.2. Tiến hành thi công lắp ráp mạch dò kim loại dùng IC 567 và IC 4093.
Từ các giả thuyết trên và chức năng các linh kiện điện tử cở bản tiến hành thiết kế mạch nguyên lý và lắp ráp mạch dò kim loại.
Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý.
4.2.1. Lắp ráp, kiểm tra mạch và chạy thử trên board đa năng
Từ sơ đồ mạch nguyên lý, tiến hành lắp mạch nghiên cứu trên test board. Sử dụng các máy đo nhƣ: đo tần số, máy đo dao động ký, máy đo đa năng… Để kiểm tra mạch, đo các linh kiện điện tử và đo các dao động mà mạch tạo ra để từ đó có sự điều chỉnh.
4.2.2. Tiến hành nghiên cứu các dao động qua máy dao động ký
- Tín hiệu CH1 thu đƣợc từ chân 6 IC 567.
Hình 2.11: Tín hiệu chân 6 IC 567. Quan sát từ dao động ký ta đƣợc: + Tần số f1 tại chân số 6 IC 567: Ta có: Chu kỳ T1 = 3 khoảng x 5s = 15.10-6 (s) o f 1= 15 10 1 6 1 T =66,67 KHz + Hàm vo(t): Ta có: Điện thế Vpp=3.6 khoảng x 0.5 V =1.8 V Vo max= 0.9 2pp V V
vo(t) = Vo maxsin(2ft)= 0.9 sin(133,34.103t)(V) - Tín hiệu CH2 đo đƣợc từ chân số 4 IC 4093.
Hình 2.12: Tín hiệu quan sát được từ chân số 4 IC 4093.
Quan sát từ dao động ký ta đƣợc: + Tần số f2 tại chân số 4 IC 4093:
f 2= 15 10 1 6 2 T = 66,67 KHz + Hàm vo(t): Ta có: Điện thế Vpp=4 khoảng x 2V = 8 V Vo max= 4 2pp V V
vo(t) = Vo maxsin(2ft)= 4 sin(133,34.103t)(V)
-Quan sát đồng thời hai tín hiệu trên dao động ký khi chƣa có kim loại tác động lên cuộn dây hình 2.13a và khi có kim loại tác động hình 2.13b.
Hình 2.13a: Hai tín hiệu khi chưa Hình 2.13b: Hai tín hiệu khi có sự
có sự tác động. tác động
-Sơ đồ lắp ráp linh kiện:
Hình 2.15: Bố trí linh kiện trên board mạch.
4.2.4. Chức năng của các linh kiện và nguyên lý hoạt động của mạch 4.2.4.1. Chức năng chính của cá linh kiện 4.2.4.1. Chức năng chính của cá linh kiện
IC 4093 tạo một dao động sóng hình sin từ chân 3 đƣa đến ngõ vào chân số 3 của IC 567 có tần số trùng với tần số dao động riêng của IC 567, tần số này có thể thay đổi dựa vào hiện tƣợng cảm ứng điện từ, khi cuộn dây chịu sự tác động từ kim loại làm thay đổi hệ số tự cảm của cuộn dây.
IC 567 Để định tần số riêng của tầng dao động CCO thì ta mắc một điện trở vào chân 5 qua chân 6 và tụ mắc từ chân 6 xuống masse. Nếu tín hiệu ở ngõ vào có tần số trùng với tần số f0 thì ngõ ra trên chân 8 sẽ ở mức áp thấp, không có dòng điện đi ra từ chân 8. Ngƣợc lại nếu tín hiệu ở ngõ vào có tần số khác với tần số f0 thì ngõ ra trên chân 8 sẽ từ mức áp thấp chuyển lên có dòng điện đi ra từ chân 8.
VR dùng để chỉnh: Tần số dao động riêng của IC 567 và độ nhạy cho mạch khi yêu cầu sử dụng cũng nhƣ các môi trƣờng khác nhau.
Transistor dùng để kích relay => Bật mạch còi cảnh báo.
Cuộn dây có đƣờng kính là 10cm, dây 30%, với 100 vòng dây, làm thay đổi tần số dao động chân 3 IC 4093 dựa vào hiện tƣợng cảm ứng điện từ.
4.2.4.2. Nguyên lý hoạt động
Mạch đang hoạt động chƣa có kim loại:
- Dựa vào nguyên lý hoạt động của IC567, khi tần số ngõ vào chân số 3 trùng với tần số dao động riêng CCO (Current Contronlled Ossillator) của IC 567 thì ngõ ra chân số 8 sẽ ở mức thấp.
- Điện thế phân cực VBE không nằm trong ngƣỡng dẫn => Transistor ngƣng dẫn.
- Relay ở trạng thái thƣờng đóng, không có dòng điện cấp cho mạch cảnh báo, loa không kêu.
- Khi có kim loại tác động vào cuộn dây, hệ số tự cảm của cuộn dây sẽ bị thay đổi và làm mạch tạo dao động từ IC 4093 thay đổi tần số, tần số ngõ vào chân 3 khác với tần số dao động riêng CCO của IC 567 thì ngõ ra chân 8 sẽ lên cao.
- Dòng điện qua điện trở R4 = 1k và điện thế phân cực VBE nằm trong vùng hoạt động từ 0,5 – 0,8V transitor dẫn => Làm bật relay chuyển từ trạng thái thƣờng đóng sang thƣờng mở => Có dòng điện cấp cho mạch cảnh báo, loa kêu báo có kim loại.
4.2.5. Hoàn thành sản phẩm
Những hình ảnh sản phẩm khi hoàn thành.
Hình 2.16: Cuộn dây L.
Hình 2.18 : Hộp chứa mạch, cuộn dây và nhôm.
4.3. Tiến hành thi công lắp ráp mạch dò kim loại dùng IC 4093 4.3.1. Thiết kế mạch nguyên lý 4.3.1. Thiết kế mạch nguyên lý
Hình 2.20: Nguyên lý mạch dò kim loại dùng IC 4093.
4.3.2. Lắp ráp, kiểm tra mạch và chạy thử trên board đa năng
Từ sơ đồ mạch nguyên lý, tiến hành lắp mạch nghiên cứu trên test board. Sử dụng các máy đo nhƣ: đo tần số, máy đo dao động ký, máy đo đa năng… để kiểm tra mạch, đo các linh kiện điện tử và đo các dao động mà mạch tạo ra để từ đó có sự điều chỉnh.
4.3.3. Tiến hành nghiên cứu các dao động qua máy dao động ký
Hình 2.22: Tín hiệu thu được từ dao động ký.
Hình 2.23: Tín hiệu quan sát được từ chân số 3 IC 4093.
Quan sát tín hiệu từ dao động ký ta đƣợc: + Tần số f1 tại chân số 3 IC 4093: Ta có: Chu kỳ T1 = 3,2 khoảng x 20s = 64.10-6 (s) o f 1= 64 10 1 6 1 T =15,625 KHz + Hàm vo(t): Ta có: Điện thế Vpp=4,3 khoảng x 2V = 8,6 V Vo max= 4,3 2pp V V
- Tín hiệu thu đƣợc từ chân 4 IC 4093.
Hình 2.24: Tín hiệu quan sát được từ chân số 4 IC 4093.
Quan sát tín hiệu từ dao động ký ta đƣợc: + Tần số f2 tại chân số 4 IC 4093: Ta có: Chu kỳ T2 = 3,2 khoảng x 20s = 64.10-6 (s) f 2 = 64 10 1 6 1 T =15,625 KHz + Hàm vo(t): Ta có: Điện thế Vpp=5 khoảng x 2V =10 V Vo max= 5 2pp V V
vo(t) = Vo maxsin(2ft) = 5sin(31,25.103t)(V).
Quan sát đồng thời hai tín hiệu trên dao động ký khi chƣa có kim loại tác động lên cuộn dây hình 2.24 và khi có kim loại tác động hình 2.25.
Hình 2.25: Hai tín hiệu khi có kim loại tác dụng vào cuộn dây.
4.3.4. Sử dụng phần mềm vẽ mạch in Realpcb Version 2.0
Hình 2.27: Sơ đồ lắp ráp linh kiện.
4.3.5. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động dựa vào cấu tạo IC 4093.
- Mạch khi chƣa có kim loại tác động lên cuộn dây L (d = 5cm, 100 vòng, dây 25%), hai tần số dao động từ chân 3 và chân 4 IC 4093 có tần số bằng nhau, đƣợc cho vào 1 cổng NAND ở chân 8 và 9, tín hiệu ra ở chân số 10, và tín hiệu đƣa vào cổng NOT có tác dụng làm đảo pha tin hiệu từ chân 10 vào chân 12 và 13 đƣợc nối với nhau, tín hiệu lấy ra ở cổng số 11 và có tần số chuẩn đƣợc đƣa vào amply, amply phát ra 1 âm thanh chuẩn.
- Khi mạch có kim loại tác động lên cuộn dây, hệ số tự cảm của cuộn dây sẽ thay đổi => Tần số f2 từ chân số 4 sẽ thay đổi => Tần số ngõ ra ở chân 11 thay đổi => Amply phát ra một âm thanh khác với âm thanh chuẩn ban đầu giúp ta nhận biết có kim loại.
4.3.6. Hoàn thành đóng gói sản phẩm
Hình 2.29: Hộp chứa mạch, cuộn dây và nhôm.
Hình 2.31: Hoàn thành đóng gói mạch.
4.4. Ƣu điểm và nhƣợc điểm mạch dò kim loại 4.4.1. Ƣu điểm 4.4.1. Ƣu điểm
- Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn với các linh kiện phổ biến. - Có thể sử dụng điện xoay chiều và một chiều.
- Lắp đặt dễ dàng. - Giá thành hợp lí.
4.4.2. Nhƣợc điểm
Máy hoạt động với công suất nhỏ nên chỉ dò tìm đƣợc các kim loại có độ sâu giới