Chương II : Rơle điện từ
2.2 Cấu tạo chung
-Lõi thép tĩnh thường được gắn cố định với thân vỏ rơle. Với rơle điện từ cỡ nhỏ thì lõi thép tĩnh thường là một khối thép hình trụ trịn lồng qua cuộn dây. -Lá thép động cĩ gắn các tiếp điểm động. Ở trạng thái cuộn hút chưa cĩ điện, lá thép động được tách ra xa lá thép tĩnh nhờ lị xo hồi vị.
-Cuộn dây điện từ (cuộn hút) được lồng vào lõi thép tĩnh cĩ thể làm việc với dịng điện một chiều hoặc xoay chiều.
1. Tiếp điểm 2. Lá thép động 3. Lõi thép tĩnh 4. Cuộn hút 5. Đế gắn 6. Lị xo 2.3 Nguyên lý hoạt động
Khi chưa đĩng điện cho cuộn hút (4), lá thép động (2) chỉ chịu lực kéo của lị xo (6) làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh ở phía trên tương ứng cặp tiếp điểm ở phía trên ở trạng thái đĩng cặp tiếp điểm ở phía dưới ở trạng thái mở.
Khi đĩng điện cho cuộn hút (4), từ thơng do cuộn hút sinh ra mĩc vịng qua cả lõi thép tĩnh (3) và lõi động (2) tạo thành hai cực từ trái dấu ở bề mặt tiếp xúc làm cho lõi động (2) bị hút về phía lõi thép tĩnh. Mơmen do lực hút này sinh ra thắng mơmen của lị xo. Kết quả làm cho lõi động bị hút về phía lõi tĩnh, tương ứng cặp tiếp điểm phía trên ở trạng thái mở, cặp tiếp điểm ở phía dưới ở trạng thái đĩng.
Như vậy chỉ nhờ vào sự đĩng cắt điện áp cho cuộn hút mà ta cĩ thể thay đổi trạng thái của hàng loạt các tiếp điểm.
2.4 Các thơng số kỹ thuật và cách lựa chọn rơle điện từ
+ Dịng điện định mức trên rơle điện từ (A): đây là dịng điện lớn nhất cho phép
rơle điện từ làm việc trong thời gian dài mà khơng bị hư hỏng. Về nguyên tắc khi chọn rơle điện từ thì dịng điện định mức của nĩ khơng được nhỏ hơn dịng điện tính tốn của phụ tải. Dịng điện này chủ yếu do tiếp điểm của rơle điện từ quyết định.
Để tiết kiệm người ta thường chọn Iđm = (1,2 - 1,5) Itt.
Tuy nhiên, nếu rơle điện từ đĩng vai trị là rơle trung gian trong mạch điều khiển thì thơng số này khơng quan trọng lắm.
+ Điện áp làm việc của rơle điện từ (điện áp cách ly): đây là điện áp các ly giữa
các bộ phận tiếp điện với vỏ của rơle điện từ. Điện áp này khơng được chọn nhỏ hơn điện áp cực đại của lưới điện.
+ Điện áp định mức đối với rơle điện áp (V): điện áp này lựa chọn phải phù hợp
với điện áp của mạch điều khiển.
+ Dịng điện định mức của cuộn hút đối với rơle dịng điện (A): dịng điện này
được lựa chọn phải phù hợp với dịng điện định mức của phụ tải.
+ Tuổi thọ của rơle điện từ: được tính bằng số lần đĩng cắt (tính trung bình) kể từ khi dùng cho đến khi hỏng.
+ Tần số đĩng cắt lớn nhất cho phép: thường được tính bằng số lần đĩng cắt lớn nhất cho phép trong 1 giờ.
Số lượng các cặp tiếp điểm chính, phụ tuỳ thuộc vào chức năng mà rơle điện từ đảm nhiệm.
2.5 Module hay LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1018SCL
Đối với modul mắt thu trên thì trường cĩ 2 loại module mắt thu tín hiệu hồng ngoại . Một loại vỏ sắt và 1 loại vỏ bằng nhựa. Dùng loại module này chống được nhiễu bên ngồi và thu được tín hiệu xung quang nĩ. Các xác định chân rất đơn giản là.
Nhìn trên hình ảnh đĩ thì :
Chân 1 là chân tín hiệu out
Chân 2 là chân GND
Chân 3 là chân VCC
Hình 2.3: Sơ dồ Led thu tín hiệu hồng ngoại
Khối mạch:
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.
Hình 2.4: Sơ đồ khối PIC 1018 SCL
Hình 2.5: Mơ tả thu tín hiệu hồng ngoại
Giải thích sơ đồ khối:
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 mach so sánh và phân tích truớc khi vào mạch Schmitt Trigger.
Hình 2.6: 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
Hình 2.7: Tín hiệu xung
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 2.8: Sơ đồ mạch phát
Hình 2.9: Sơ đồ tương đương
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý PIC – 1018SCL 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
2.6 LED quang - LED phát tín hiệu hồng ngoại
Ở quang trở, quang diode và quang transistor, năng lượng của ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn và cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm. Ngược blại khi một điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hố trị thí sẽ phát ra một năng lượng E=h.f
Dải dẫn điện Dải hĩa trị Dải cấm hf. Khi phân cực thuận một nối P-N, điện tử tự do từ vùng N xuyên qua vùng P và tái hợp với lỗ trống (về phương diện năng lượng ta nĩi các điện tử trong dãi dẫn điện – cĩ năng lượng cao – rơi xuống dãi hố trị - cĩ năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng lượng.
Đối với diod Ge, Si thì năng lượng phát ra dưới dạng nhiệt. Nhưng đối với diod cấu tạo bằng GaAs (Gallium Arsenide) năng lượng phát ra là ánh sáng hồng ngoại (khơng thấy được) dùng trong các mạch báo động, điều khiển từ xa…). Với GaAsP (Gallium Arsenide phosphor) năng lượng phát ra là ánh sáng vàng hay đỏ. Với GaP (Gallium phosphor), năng lượng ánh sáng phát ra màu vàng hoặc xanh lá cây. Các Led phát ra ánh sáng thấy được dùng để làm đèn
báo,trang trí… Phần ngồi của LED cĩ một thấu kính để tập trung ánh sáng phát ra ngồi.
Hình 2.11: Led hồng ngoại
Hình 2.12: Cấu hình Led phẳng Ga-As
Hình 2.13: Sơ đồ Led hồng ngoại
Để cĩ ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED. Tuỳ theo mức năng lượng giải phĩng cao hay thấp mà bước sĩng ánh sáng phát ra khác nhau sẽ quyết định màu sắc của LED. Thơng thường, LED cĩ điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thơng thường, trong khoảng 1,5 – 2,8V tuỳ theo màu sắc phát ra, màu đỏ: 1,4 – 1,8V, vàng: 2 – 2,5V, cịn màu xanh lá cây: 2 – 2,8V, và dịng điện qua LED tối đa khoảng vài mA.
Hình 2.14: Sơ đồ nối Led 2.7 Transistor PNP
a.Cấu tạo của Transistor.
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau.
Hình 2.15: Cấu tạo Transistor
Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và cĩ nồng độ tạp chất thấp.
Hai lớp bán dẫn bên ngồi được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực gĩp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C cĩ cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng cĩ kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên khơng hốn vị cho nhau được
b.Nguyên tắc hoạt động của Transistor. Xét hoạt động của Transistor NPN:
Hình 2.16: Hoạt động của Transistor
Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN
Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đĩ (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua cơng tắc và trở hạn dịng vào hai cực B và E, trong đĩ cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
Khi cơng tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn khơng cĩ dịng điện chạy qua mối C E (lúc này dịng IC = 0).
Khi cơng tắc đĩng, mối P-N được phân cực thuận do đĩ cĩ một dịng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua cơng tắc => qua R hạn dịng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dịng IB.
Ngay khi dịng IB xuất hiện => lập tức cũng cĩ dịng IC chạy qua mối CE làm bĩng đèn phát sáng, và dịng IC mạnh gấp nhiều lần dịng IB. Như vậy rõ ràng dịng IC hồn tồn phụ thuộc vào dịng IB và phụ thuộc theo một cơng thức
Giải thích: Khi cĩ điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống khơng thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dịng điện, khi xuất hiện dịng IBE do
lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đĩ thế vào lỗ trống tạo thành dịng IB cịn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dịng ICE chạy qua Transistor.
Xét hoạt động của Transistor PNP.
Sự hoạt động của Transistor PNP hồn tồn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại. Dịng IC đi từ E sang C cịn dịng IB đi từ E sang B.
2.8 Tổng quan về FLIP-FLOP ( FF)2.8.1 Khái niệm FF 2.8.1 Khái niệm FF
Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo bảng trạng thái cho trước.FF là mạch cĩ khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu ra khi cần.
Ký hiệu FF:
Hình 2.17: Flip - Flop
Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là cái gì thì ngõ đồng hồ CK lại chỉ ra rằng khi nào mới cĩ sự thay đổi đĩ. Chân Ck cĩ thể tác động mức thấp hay mức cao, cạnh lên hay cạnh xuống tuỳ vào cấu trúc bên trong của từng IC FF, do đĩ với một IC FF cố định thì chỉ cĩ một kiểu tác động và chỉ một mà thối, ví dụ với IC 74ls74 chỉ cĩ một cách tác động là xung Ck tác động theo cạnh lên.
Hình 2.18: Sơ đồ IC 74LS74 2.8.2 Phân loại FF
Flip-Flop cĩ bốn loại, kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck đĩ là:
- FF RS dùng cổng NOR
2.8.3 FF RS dùng cổng NAND cĩ ngõ vào xung CK- Sơ đồ mạch. - Sơ đồ mạch.
Hình 2.20: Sơ đồ mạch Flip – Flop dung cổng NAND - Ký hiệu:
Bảng trạng thái và dạng sĩng ngõ ra.
Hình 2.21: Bảng Trạng thái và dạng song ngõ ra
FF RS nảy cạnh lên khi đĩ sẽ kí hiệu hình tam giác ở sơ đồ khối và dấu mũi tên lên trong bảng trạng thái.
FF RS nảy bằng cạnh xuống tương tự và cĩ khí hiệu thêm hình trịn nhỏ hay gạch đầu Ck để chỉ cạnh xuống ở ký hiệu khối và vẽ dấu mũi tên xuống ở bảng trạng thái.
2.8.4 Nguyên tắc hoạt động
Theo nguyên tắc hoạt động của cổng NAND.
- Khi chưa cĩ xung Ck vào bất chấp ngõ vào R, S thì khơng ảnh hưởng tới ngõ ra.
- Khi cĩ xung CK.
- Khi ngõ vào S = 0, R = 0 thì ngõ ra Q và khơng đổi. - Khi ngõ vào S = 0, R = 1 thì ngõ ra Q = 0 và = 1. - Khi ngõ vào S = 1, R = 0 thì ngõ ra Q = 1 và = 0.
2.8.5 Flipflop trigger D (4013)
Hình 2.22: IC 74LS74AN
Bảng 6: Bảng trạng thái của Trigger D
Trong thực tế, vẫn cĩ nhiều trường hợp ngồi việc tạo ra Ngõ vào D để chỉ sử dụng một Ngõ vào Dữ liệu duy nhất thì người ta vẫn duy trì 2 Ngõ vào nguyên bản theo mạch ký hiệu rút gọn bên đây để cĩ thể tùy ý sử dụng trong những trường hợp đặc biệt.
Bên cạnh đĩ, mạch Trigger phức hợp cịn cĩ thêm Ngõ vào điều khiển C.
Cĩ 2 loại IC cơ bản về loại Trigger D đĩ là 4013 thuộc họ CMOS 4xxx và 7474 thuộc họ TTL 74xx như hình bên đây
Hình 2.23: Sơ đồ chân IC 4013
thể thay thế lẫn nhau vì khơng trùng chân. * Bảng trạng thái :
Bảng 7: Bảng trạng thái Flip-Flop
- Ứng dụng cơ bản
Hình 2.24: Ứng dụng trong điều khiển quạt
Ứng dụng đơn giản nhất của Trigger D là tạo ra mạch chia 2 đối với tác động của xung ngõ vào như hình bên cạnh đây:
Nhờ việc phản hồi của Q đảo về Ngõ vào D mà mạch ở bên cĩ thể tạo thành mạch chia đơi tần số tác động của S1 sao cho nếu nhấn S1 lần đầu tiên mà Ngõ ra Q = 1 thì nhấn S1 lần thứ 2 sẽ khiến cho Q = 0 tức là nếu nhấn S1 lần thứ 1 làm cho Quạt Fan được bật mở thì muốn tắt quạt chỉ cần nhấn tiếp S1 lần thứ 2. Trên thực tế, để S1 cĩ thể tác động được một cách ổn định và hiệu quả thì R1 chỉ được phép xác định trong khoảng 2,2k đến 22k và để Q1 cĩ thể đĩng ngắt được dịng điện cung cấp cho quạt thì cần phải tạo mạch phân áp R2R3 cho cực B của Q1 để khi Q = 0 (khoảng 0,6V) thì điện áp tại cực B của Q1 phải thấp hơn 0,35V.
- Đặc tính của flipflop D là cĩ xung kích vào CK thì dữ liệu ở chân D sẽ được đưa ra ngồi và được chốt ở đĩ và khi nào cĩ xung kích tiếp theo thì dữ liệu ở chân D sẽ được đưa ra ngồi.
Để chốt được dữ liệu địi hỏi chân D phải cĩ mức logic ban đầu là 1.Do đĩ ta nối chân 2 với chân 6 vì ban đầu ngõ ra Q cĩ mức logic 0 nên ngõ ra đảo xẽ cĩ mức logic cao.
2.9 IC ổn áp: KA7805
Hình 2.25: IC 7805
- Chân 1: Chân nguồn đầu vào, đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động. Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40v. Điện áp vào phải nằm trong dải 8v-40v, nếu dưới 8v mạch ổn áp khơng cịn tác dụng
- Chân 2: Chân GN
- Chân 3: Điện áp ra ổn định 5v (4,75v – 5.25v)
2.10 Điốt bán dẫn
Diode là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dịng điện đi qua nĩ theo một chiều mà khơng theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn.
Cĩ nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thơng thường, điốt Zener, LED. Chúng đều cĩ nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên