b. Nguyên lý làm việc
Mạch điện đấu điện trở quang trình bầy ở hình 2.14a
Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do quá trình hấp thụ quang năng,
từng cặp điện tử-lỗ trống mới xuất hiện. Do vậy, nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện của nĩ tăng, hay nĩi cách khác là điện trở của chất bán
dẫn giảm xuống. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc
vào vật liệu dùng trong chế tạo.
Về phương diện năng lượng, ta nĩi ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hĩa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f
phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm.
c. Các ứng dụng của quang điện trở
Quang điện trở cĩ nhiều ứng dụng trong thực tế
- Sử dụng trong các mạch báo động:
- Đo độ sáng trong quang phổ:
- Làm mạch cảm biến trong nhiều hệ thống tự động hĩa:
…..
1.4.2. Điơt quang
a. Khái niệm chung
Khi chiếu sáng một tiếp xúc P-N thì trên nĩ sẽ xuất hiện một điện áp. Tùy theo chức năng và cấu trúc cĩ thể chia điơt quang thành nhiều loại như sau:
• Điơt quang loại tiếp xúc P-N.
• Điơt quang loại PIN.
• Điơt quang thác (APD).
Một số đặc điểm của điơt quang là rất tuyến tính, ít nhiễu, dải tần số làm việc
rộng, nhẹ, cĩ độ bền cơ học cao và tuổi thọ cao. Điơt quang khơng nhạy bằng điện
trở quang loại CdS nhưng nĩ làm việc nhanh gấp nhiều lần.
b. Ký hiệu của điơt quang trong sơ đồ mạch điện
1.4.2.1 Điơt quang loại tiếp xúc P-N
Lớp chống phản quang
Hình 1.34: a- Cấu tạo của điơt quang loại tiếp xúc P-N b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b)
a. Cấu tạo
Điơt quang gồm cĩ một tiếp xúc P-N. Bề dày của lớp tiếp xúc là w. Hai phần tử
bán dẫn là ++
P và ++
N cĩ nồng độ tạp chất cao. Điơt cĩ một cửa sổ để chiếu ánh
sáng vào. Hai chân anơt A và catơt K là kim loại được nối tới các phần bán dẫn.
Xem hình trên (hình 2.17)
b. Nguyên lý làm việc
Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang
Như trong sơ đồ hình 1.40, điơt quang được cấp nguồn Ecc sao cho tiếp xúc P- N phân cực ngược để tạo ra một điện trường dịch chuyển, các hạt dẫn thiểu số sẽ được sinh ra dưới tác dụng của ánh sáng. Do đĩ, khi chưa cĩ tác dụng ánh sáng thì trong điốt thu quang chỉ cĩ dịng điện ngược (dịng điện tối hay dịng rị) rất nhỏ.
Khi cho ánh sáng chiếu vào (xem hình 1.35) trong quá trình hấp thụ, ở chất
động của điện trường ở tiếp xúc P-N phân cực ngược sẽ chuyển động trơi qua tiếp
xúc P-N và tạo nên dịng điện gọi là dịng quang điện.
Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode.
Đặc tuyến V-I của quang diode với quang thơng là thơng số cho thấy ở quang
thơng nhỏ khi điện thế phân cực nghịch nhỏ, dịng điện tăng theo điện thế phân cực, nhưng khi điện thế phân cực lớn hơn vài volt, dịng điện gần như bão hịa (khơng
đổi khi điện thế phân cực nghịch tăng). Khi quang thơng lớn, dịng điện thay đổi theo điện thế phân cực nghịch. Tần số hoạt động của quang diode cĩ thể lên đến
hàng MHz. Quang diode cũng như quang điện trở thường được dùng trong các mạch điều khiển để đĩng - mở mạch điện (dẫn điện khi cĩ ánh sáng chiếu vào và
ngưng khi tối).
1.2.4.2 Điơt quang PIN
a. Cấu tạo
Điơt quang loại PIN gồm một lớp bán dẫn N+ cĩ nồng độ tạp chất cao làm nền, trong đĩ phủ một lớp bán dẫn nguyên tính I (Intrinsic), rồi đến lớp bán dẫn loại
+ +
P cĩ nồng độ tạp chất cao. Do đĩ, điốt cĩ tên gọi là điốt P-I-N. Bên trên bề mặt
của lớp bán dẫn ++
P , là điện cực vịng Anốt để ánh sáng cĩ thể thâm nhập vào miền
bán dẫn I. Trên lớp bán dẫn P cĩ phủ một lớp mỏng chống phản xạ quang để tránh
b. Nguyên lý hoạt động
Điện áp cung cấp cho điơt phân cực ngược dọc theo linh kiện, vì vậy lớp I bị
nghèo hồn tồn trong suốt thời gian hoạt động của nĩ. Khi ánh sáng đi vào lớp bán dẫn ++
P ,trường hợp lý tưởng mỗi photon sẽ sinh
ra trong miền ++
P , I hoặc ++
N , một cặp điện tử - lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống vừa sinh ra sẽ được điện trường mạnh hút về hai phía điện cực, tạo ra một dịng điện ở mạch ngoài và trên tải Re thu được một điện áp Ura.
1.2.4.3 Điơt quang thác (APD)
Để tăng độ nhạy của điơt quang, người ta cĩ thể sử dụng hiệu ứng giống như
hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Cấu tạo của điơt quang sẽ cĩ
dạng đặc biệt đĩ là điơt quang với hiệu ứng quang thác APD-Avalanche Photodiodes.
Điơt quang thác giống như điơt quang PIN trừ điện áp phân cực lớn hơn nhiều để tạo ra sự nhân thác lũ về hạt dẫn và như vậy, APD cĩ khuếch đại dịng điện bởi
sự ion hĩa do va chạm và nhân hạt dẫn.
a. Cấu tạo
Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điơt APD
b. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống như điơt P-I-N.
Sơ đồ nguyên lý được mơ tả trong hình 1.38 Theo sơ đồ này, điơt quang thác được
Khi chiếu ánh sáng vào, sẽ xuất hiện thêm các điện tử trong miền P sẽ dịch
chuyển đến vùng thác của tiếp xúc −
P ++
N và rơi vào vùng cĩ điện trường mạnh
nên được tăng tốc. Các điện tử cĩ tốc độ lớn này sẽ va chạm vào các nguyên tử khác để tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới. Hiện tượng này gọi là hiện tượng ion hĩa do
va chạm. Do đĩ, dịng điện qua điơt APD tăng nhanh như được khuếch đại lên với
hệ số khuếch đại M. Hệ số khuếch đại M phụ thuộc vào điện áp phân cực cho điơt
và nĩ cĩ thể đạt tới 200 lần.
1.2.5. Quang transistor(Photo Transistor)
Quang transistor là nới rộng của quang diode. Về mặt cấu tạo, quang transistor
cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor cĩ một
thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít do các dịng điện rỉ (điện thế VBE lúc đĩ khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch
nên transistor ở vùng tác động.
Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên cĩ dịng rỉ IC0 chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dịng
điện cực thu là IC0 (1+β). Đây là dịng tối của quang transistor.
Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor.
Khi cĩ ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền, thì sự xuất hiện của các cặp điện tử
và lỗ trống như trong quang diode làm phát sinh một dịng điện IC do ánh sáng nên dịng điện thu trở thành: IC=(β+1)(IC0+Iλ)
Như vậy, trong quang transistor, cả dịng tối lẫn dịng chiếu sáng đều được
bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thơng là một thơng số. Ta thấy đặc
tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung.
Cĩ nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm… loại quang transistor Darlington cĩ độ
nhạy rất cao. Ngồi ra người ta cịn chế tạo các quang SCR, quang triac…
Hình 1.39: Một số loại quang bán dẫn khác.
* Ứng dụng của quang transistor: - Đĩng tắt Relay
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
2.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống
2.1.1. Bộ phát hồng ngoại
Bộ phát hồng ngoại trong hệ thống em sử dụng là một remote tivi của
hãng sony. Đây là thiết bị phát hồng ngoại nhỏ gọn, đặc biệt cĩ nhiều nút mã tín hiệu và dễ sử dụng.
* Giải mã tín hiệu remote tivi sony
Các máy phát tín hiệu sĩng hồng ngoại khác nhau tùy thuộc vào thiết bị điều
khiển và do các hãng sản xuất khác nhau.
Hình 2.2: Các máy phát tín hiệu hồng ngoại khác nhau của Sony
Bộ phát hồng ngoại Bộ điều khiển trung tâm Đối tượng điều khiển Bộ thu hồng ngoại Bộ đĩng cắt
Sony sử dụng mã theo tiêu chuẩn IR. Sử dụng giao thức chế độ rộng xung, hoặc là SIRC. Dùng mã hĩa độ rộng xung và điêu chế biên độ. Data payload gồm 7 bits lệnh và 5 bits địa chỉ
Dữ liệu được khởi đầu bằng chuỗi xung 2.4ms mark và 0.6ms space để cấu hình cho AGC của máy thu.
Tín hiệu sĩng mang từ LED hồng ngoại của remote Sony phát ra cĩ tần số
khoảng từ 36 Khz đến 38 Khz.
Sĩng mang này chuyên chở tín hiệu dữ liệu mã hĩa cĩ dạng như sau:
Hình 2.3: Mã hĩa tín hiệu sony
- Bit 0 được mã hĩa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng thái
sang mức cao 600 µs.
- Bit 1 được mã hĩa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng tháng
sang mức cao 1200 µs.
Hình 2.5: Định ước bề rộng xung, cấu trúc Frame dữ liệu
Hình 2.6: Định ước bề rộng xung, cấu trúc dãy đầy đủ
Xung Start sẽ được phát đi trước và cĩ dạng là một tín hiệu mức cao trong
khoảng thời gian 2400 µs, tiếp theo là các bit dữ liệu. Tổng cộng cĩ 12 bits dữ liệu
và kết thúc bằng một xung Stop ở mức thấp trong thời gian 2400 µs. Tiếp theo, tín hiệu sẽ được duy trì ở mức thấp trong khoảng thời gian 20 ms và xung Start thứ 2 sẽ được phát đi để báo hiệu cho sự tiếp tục của một khung dữ liệu thứ 2. Khung dữ liệu
này hồn tồn giống với khung dữ liệu trước đĩ. Và cứ như thế tiếp tục cho đến khi
nào phím remote nhả ra thì thơi.
Mục đích của chúng ta là phải lấy 12 bits dữ liệu mà remote phát đi. Mỗi phím bấm của remote sẽ cho giá trị 12 bit dữ liệu khác nhau. Dùng chương trình vi điều
khiển để phân tích 12 bits dữ liệu này thì chúng ta sẽ điều khiển tắt mở những thiết
Khi LED thu nhận mã dữ liệu từ LED phát gửi. Mã hĩa dữ liệu cĩ dạng:
Hình 2.7: Mã hĩa dữ liệu nhận
2.1.2. Bộ thu hồng ngoại
Khi REMOTE phát tín hiệu hồng ngoại để thu được tín hiệu này ta dùng các thiết bị thu hồng ngoại. Trong hệ thống, em sử dụng LED thu tín hiệu hồng ngoại
PIC 1080SCL
LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1080SCL
PIC – 1018SCL là IC thu tín hiệu hồng ngoại với những ưu điểm sau: - Là IC cĩ kích thước nhỏ
- Phạm vi thu nhận tín hiệu xa (± 45 độ)
- Khả năng chống nhiễu tốt.
a. Sơ đồ khối của PIC 1018SCL
b. Nguyên lý hoạt động
Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn phát qua bộ truyền đến mạch thu được LED hồng ngoại nhận rồi đưa qua ba tầng khuếch đại. Sau đĩ tín hiệu này được qua
mạch lọc băng thơng (Band Pass Filter) để chọn dãy băng thơng thích hợp. Ở ngõ ra tín hiệu này được qua mạch khuếch đại (AGC) để tăng độ khuếch đại nếu cần thiết.
Xung này được qua mạch so sánh và phân tích truớc khi vào mạch Schmitt Trigger.
Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh cĩ phản hồi như hình sau:
Hình 2.9: Mạch Schmitt Trigger
Lúc này do Vin so sánh với tín hiệu ngõ vào V+ là điện thế trên mạch phân áp
R4 – R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của Vout, mạch Schimitt
Trigger cũa cĩ hai ngưỡng so sánh là VH và VL
Qua hình ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh Vin theo hai ngưỡng VH và VL. Khi điện áp Vin vượt qua VH thì giá trị Vout là 0V và khi Vin thấp hơn VL thì Vout sẽ ở +Vcc (nghĩa là cĩ sự đảo pha). Nhiệm vụ chủ yếu của
mạch Schmitt Trigger là đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu vuơng với khả năng
chống nhiễu cao. Tín hiệu ngõ ra của mạch Schmitt Trigger qua mạch đảo sẽ cho tín
hiệu ở ngõ của PIC – 1018SCL là tín hiệu đảo
Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu qua PIC – 1018SCL
Nếu cĩ hiện tượng nhiễu thì hãy mắc thêm trở kháng 100 Ohm hoặc tụ khoảng
100µF
Hình 2.12: Mạch chống nhiễu cho PIC – 1018SCL
c. Thơng số kỹ thuật
- Nguồn cung cấp 2.5 - 5V , thuờng chọn 5V - Dịng tiêu thụ cực đại ngõ vào =0, Ic=1.5mA - Tần số dao động F0 =37.9KhZ
- Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu đảo
- Mức cao ngõ ra VOH=VCC-0.5v - Mức thấp ngõ ra VOL=0.2v - Độ rộng xung = 60us
- Hoạt động ở nhiệt độ từ -10->+60
2.2.3. Bộ điều khiển trung tâm2.2.3.1. Giới thiệu 2.2.3.1. Giới thiệu
Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của cơng nghệ bán dẫn, kĩ
thuật điện tử đã cĩ sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đĩ đã được tích
hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử
nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng
trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử cĩ mặt khắp mọi nơi. Bước đột phá mới trong cơng nghệ điện tử, đĩ là cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên của cơng ty Intel. Đột phá ở chỗ: "Chức năng của kết cấu logic cĩ thể thay đổi
bằng chương trình ngồi chứ khơng phát triển theo hướng tạo một cấu trúc phần
cứng chỉ thực hiện theo một số chức năng nhất định như trước đây. Tuy bộ vi xử lý
cĩ khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính tốn, xử lý…, và
thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với
các bài tốn và hệ thống lớn. Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính tốn khơng địi hỏi khả năng tính tốn lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi
vì hệ thống dù lớn hay nhỏ, nếu dùng vi xử lý thì cũng địi hỏi các khối mạch điện
giao tiếp phức tạp như nhau. Các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và
chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển
trở lại, các khối này, cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện được cơng việc. Để
kết nối các khối này địi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều khơng gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết
các hệ thống nhỏ. Với một số nhược điểm trên, nên các nhà chế tạo tích hợp một ít
bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất