1.1 .Linh kiện điện tử thụ động
1.3. Một số thiết bị điện, điện tử khác
1.3.1. Relay
Rơ le (relay) là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện. Nói là một công tắc vì rơ le có 2 trạng thái ON và OFF. Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không.
* Nguyên tắc hoạt động:
Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế.
Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động. Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển
rơ le ở trạng thái ON hay OFF. Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le.
* Hoạt động của rơ le
Dòng chạy qua cuộn dây để điều khiển rơ le ON hay OFF thường vào khoảng 30mA với điện áp 12V hoặc có thể lên tới 100mA. Và bạn thấy đó, hầu hết các con chip đều không thể cung cấp dòng này, lúc này ta cần có một BJT để khuếch đại dòng nhỏ ở ngõ ra IC thành dòng lớn hơn phục vụ cho rơ le.
Chú ý: Tuy vậy, IC 555 có dòng điện ngõ ra có thể lên tới 200mA, vì thế với IC
555 thì không cần một BJT để khuếch đại dòng.
Hình bên chỉ ra cách hoạt động của rơ le với cuộn dây và các tiếp điểm điện. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây hút một đòn bẩy và làm mở các tiếp điểm điện, vì thế dòng điện cần kiểm soát không thẩy đi qua rơ le. Và ngược lại. Bạn cũng thấy đó, dòng điện chạy qua cuộn dây không hề có liên quan gì đến dòng điện cần kiểm soát.
Trên rơ le có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM.
− COM (common): là chân chung, nó luôn được kết nối với 1 trong 2 chân còn lại. Còn việc nó kết nối chung với chân nào thì phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của rơ le.
− NC (Normally Closed): Nghĩa là bình thường nó đóng. Nghĩa là khi rơ le ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này.
− NO (Normally Open): Khi rơ le ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này.
=> Kết nối COM và NC khi bạn muốn có dòng điện cần điều khiển khi rơ le ở trạng thái OFF. Và khi rơ le ON thì dòng này bị ngắt.
=> Ngược lại thì nối COM và NO.
Cần phải quan tâm đến kích thước và kiểu chân để chọn một rơ le phù hợp với mạch điện của mình. Cần phải quan tâm đến điện áp điều khiển cuộn dây của rơ le. Có thể là 5V, 12V hoặc 24V. Mạch bạn thiết kế cung cấp điện áp nào?
Phải quan tâm đến điện trở của cuộn dây. Vì điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng cần cung cấp cho cuộn dây hoạt động I = U / R.
Ví dụ: Chọn một rơ le có điện áp hoạt động là 12V, cuộn dây có điện trở là 400 Ohm thì dòng cần thiết cung cấp là 30mA. Dòng này thì IC 555 có thể đáp ứng được, nhưng hầu hết các IC khác thì không, nên cần một BJT để khuếch đại dòng.
1.3.2. Chuông
a) Chuông điện xoay chiều
Nguyên lý thiết kế là có 1 cái chuông và 1 cần để gõ vào cái chuông đó − Gắn 1 nam châm điện vào cái cần gõ, và 1 nam châm vĩnh cửu đặt cố định cần gõ đàn hồi ( sao cho tự trở lại vị trí ban đầu không chạm vào chuông khi không hoạt động)
− Khi có dòng điện chạy qua nam châm điện cực từ của 1 đầu nam châm điện biến đổi liên tục dẫn đến nó sẽ tác dụng hút và đẩy liên túc đối với nam châm vĩnh cửu và kéo theo cái cần gõ dao động .
− Khi cần gõ dao động thì sẽ đập vào chuông phát ra tiếng reo.
b) Chuông điện 1 chiều
Nguyên lí hoạt động và cấu tạo của chuông điện một chiều cũng như chuông điện xoay chiều
− Gắn 1 nam châm điện vào cái cần gõ, và 1 nam châm vĩnh cửu đặt cố định cần gõ đàn hồi, tuy nhiên có thêm 1 thanh sắt tiếp xúc với cần gõ
− Khi có dòng điện chạy qua nam châm sẽ hút thanh gõ làm cho thanh gõ đập vào chuông tuy nhiên ngay lúc đó thanh sắt tách khỏi thanh gõ làm ngắt dòng điện nam châm nhả thanh gõ ra thì mạch lại kín nam châm lại hút thanh gõ và như thế chuông phát tiếng reo
1.4 Mạch điện tử
Mạch điện tử là mạch tập hợp các thiết bị điện chứa các linh kiện bán dẫn nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.
− Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng.
− Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v…v.
− Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
* Kết cấu hình học của mạch điện
a) Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia.
b) Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. c) Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh.
d) Mắt lưới : vòng mà bên trong không có vòng nào khác
Để đặc trưng cho quá trình năng lượng cho một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u.
Công suất của nhánh: .
P U I= (1. 0)
Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểM A và B:
B
AB A
U =U −U (1. 0)
Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp
Mô hình mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế mạch điện , trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện thực đã được mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e, P. Mô hình mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán mạch điện và thiết bị điện.
Chương II
Thiết kế, chế tạo mạch chuông đèn báo trong các trò chơi 2.1. Những yêu cầu chung của mạch thiết kế
− Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và chính xác, có thể sử dụng nhiều lần và hoạt động đc liên tục.
− Đảm bảo tính kinh tế.
− Mạch cần đơn giản, dễ sử dụng, dễ lắp đặt.
− Có thể mở rộng phạm vi đội chơi, đối với nhiều cuộc thi khác nhau, số đội chơi không nhất thiết giữ cố định mà tùy thuộc vào số lượng đội đăng ký. Do vậy yêu cầu mạch sử dụng cho 4, 5 đội chơi hay nhiều đội hơn vẫn hoạt động ổn định. Ở đây căn cứ vào thực tiễn trường đại học Hùng Vương, chúng tôi thiết kế cho 5 đội thi.
− Đảm bảo tính an toàn, để đảm bảo yêu cầu này, chúng tôi dự kiến sử dụng nguồn 9V và 12V thay vì nguồn 220V như một số bộ đã được chế tạo.
− Tận dụng một số thiết bị có sẵn
2.2. Nguyên tắc thiết kế
Mạch chuông đèn báo thường được sử dụng trong các trò chơi đòi hỏi sự nhanh nhẹn giữa các đội, thể hiện tính chuyên nghiệp cao. Mạch chuông tuân theo quy tắc: Khi mà một đội bấm chuông đầu tiên thì chuông đội đó sẽ kêu, đèn sáng, đồng thời ngắt điện của các đội còn lại. Có rất nhiều cách để chế tạo mạch như vậy. Sau đây chúng tôi sẽ xét một số nguyên tắc chế tạo điển hình:
*Mạch sử dụng diode và rơle 1 (hình 2.1)
Đối với mạch này, mỗi đội có 2 rơle, 3 diode và 1 đèn . Giả sử đội 1 bấm chuông thì dòng đi qua rơle 1 sau đó đi qua cuộn cảm của rơle 2 làm kích hoạt rơ le 2 dẫn đến bóng nối với nguồn như hình 2.1 và đèn sáng . Đồng thời khi bấm nút dòng điện đi qua điốt và nối vào rơ le 3;5;6 của 3 đội còn lại làm 3 rơ le ngắt dẫn đến 3 đội còn lại ko sáng đèn.
Hình 2.1: Mạch sử dụng diode và rơle 1
1. 8 rơle 5 chân 12V 4. 4 nút bấm
2. 12 diode 1N4007 5. 1 nguồn 12V-DC
*Mạch sử dụng diode và rơle 2
Nguyên lí hạt động của mạch mạch sử dụng diode và rơle 2
Một cách khác để sử dụng rơle và diode được thể hiện trên hình 2.2. Mạch này sử dụng ít rơ le và diode hơn mạch số 1. Mỗi đội có rơ le 1 rơle 2 diode và 1 led. Giả sử đội 1 bấm rơ le 1 hoạt động làm cho mạch nối đèn thành mạch khép kín dẫn đến đèn sáng và kích hoat rơ le 5 làm chuông kêu. Đồng thời ngắt tất cả các rơ le còn lại
Ưu điểm và nhược điểm của 2 mạch điện trên :
− Có thể tùy chọn tiếng chuông, chỉnh âm thanh (tone) , có jack cắm đến loa .hoặc có thể lắp chuông 220v bình thường.
− Mạch phải dùng 2 nguồn, sử dụng nhiều rơle, chi phí tốn kém − Khó chế tạo * Mạch sử dụng IC Hình 2.2: Mạch sử dụng diode và rơle 2 1. 8 diode 1N4007 4. 4 Nút bấm 2. 5 rơle 5 chân 12V-DC 5. 1 tụ 100μF/16V 3. 4 Đèn 12V-DC, loa 6. Nguồn 12V DC
Phân tích sơ đồ mạch điện số 3:
Khi dùng IC vi điều khiển AT89C2051, mạch điện cơ bản sẽ gồm các phần sau:
Phần cấp nguồn: Dùng ic ổn áp 3 chân 7805 để có nguồn 5V ổn định cấp cho chân số 20 và chân số 10 cho nối masse để lấy dòng (Dòng điện tử chảy vào ic qua chân số 10 và ra trên chân số 20). Ở đây dùng Led D1 làm Led báo nguồn. mạch làm việc với mức nguồn ngả vào là 12V. Nguồn 12V còn được dùng để cấp điện cho các relay. Chúng ta dùng 3 relay và dùng các tiếp điểm lá kim K1, K2, K3 của các relay này để điều khiển các bóng đèn điện hay chuông báo.
Phần mạch Reset. Tác dụng Reset khi chân số 1 ở mức áp cao. Khi mạch được cấp nguồn, tụ C5 (10uF) sẽ nạp điện, dòng nạo chảy qua điện trở R1 (10K), nó kéo chân số 1 lên mức áp cao và chương trình sẽ quay về thanh nhớ 0000h (đó là vị trí khỏi đầu của tác dụng reset). Chỉ sau một lúc tụ C5 sẽ nạp đầy mức nguồn, chân 1 được trả về mức áp thấp và ic vi điều khiển bắt đầu chạy chương trình có trong bộ nhớ EEP-ROM. Trong mạch chúng ta dùng nút nhấn reset để đưa chương trình trở lại trạng thái khởi đầu.
Phần định tần cho mạch dao động tạo xung nhịp. Xung nhịp được định tần theo thạch anh gắn trên chân 4 và chân 5. Với thạch anh 12MHz, tần số xung nhịp sẽ là 1MHz và chu kỳ lệnh sẽ là 1us. Các tụ nhỏ C6, C7 có tác dụng bù nhiệt ổn tần.
8 Nút nhấn gắn trên port 1 và chúng ta dùng chân p3.0 điều khiển relay 3, chân p3.1 điều khiển relay 2 và chân p3.2 điều khiển relay 1.
Ưu điểm:
− Số đội chơi nhiều, 8 đội
− Đảm bảo yêu cầu đặt ra, khi một nút đã nhấn thì tất cả các nút còn lại sẽ không còn tác dụng.
Nhược điểm:
− Mạch lắp ráp phức tạp, phải viết chương trình
− Muốn trở lại trạng thái đầu cho câu hỏi kế tiếp, người điều khiển cần phải nhấn nút Reset.
− Mạch sử dụng nhiều nguồn − Chi phí cao
Mạch chỉ sử dụng rơ le là chủ yếu đáp ứng được nguyên tắc thiết kế đó là khi 1 đội bấm chuông thì rơ le đóng vai trò ngắt hết các đội còn lại. Bộ chuông này thiết kế mạch đơn giản, sử dụng cho 4 đội chơi. Vì đây là mạch điện sử dụng nguồn 220V
Hình 2.4: Mạch chỉ sử dụng rơle
1. Rơle + chân đế: 4 bộ
2. Nút bấm: 5 cái
3. Chuông điện đường kính 100 mm: 1 cái
4. Đèn + chuôi đèn: 4 bộ
5. Bảng điện bằng nhựa để gắn các rơle: 1 cái 6. Mêca trong (kích thước 62cm X 20cm) 1 tấm
7. Phích cắm: 6 cái 8. Ổ cắm 2 lỗ: 5 cái 9. Dây điện: 50m 10. Cắt số đêcal gồm: số 1, 2, 3, 4 11. Hộp gỗ chính (62cm X 26 cm X 20 cm): 1 hộp 12. Hộp để gắn nút bấm : 5 hộp
nên rất nguy hiểm cho người sử dụng nếu bị hở mạch bất kì chỗ nào. Và đồng thời mạch hoạt động không ổn định.
*Mạch sử dụng transistor, diode và tụ
*
Mạch như hình 2.5 sử dụng trasistor và diode đóng vai trò chủ yếu, khi một đội bấm thì chuông và đèn đội đó sáng và đội còn lại sẽ bị ngắt tín hiệu do tác dụng của transistor. Mạch này có tính ổn định không cao.
2.3. Sơ đồ khối
Nguồn cung cấp điện cho khối điều khiển trung tâm và các bảng điều khiển. Khi một bảng điều khiển kích hoạt tín hiệu đến khối điều khiển trung tâm và khối
Hình 2.5: Mạch sử dụng transistor, diode, điện và tụ
Bảng điều khiển số 1
Nguồn Khối điều khiển
trung tâm Bảng điều khiển số 4 Bảng điều khiển số 5 Bảng điều khiển số 2 Bảng điều khiển số 3
điều khiển trung tâm phát lại tín hiệu cho phép bảng điều khiển đó hoạt động đồng thời ngắt tín hiệu với tất cả các bảng điều khiển còn lại.
2.4. Thiết kế mạch chuông
2.4.1.Mạch thiết kế
Thiết kế mạch cần:
− Tìm hiểu yêu cầu của mạch thiết kế. − Đưa ra một số phương án để thực hiện. − Chọn phương án hợp lý nhất.
− Tính toán, chọn các linh kiện cho hợp lý:
+ Khi thiết kế mạch lắp ráp cần tuân theo những nguyên tắc nào? + Bố trí các linh kiện trên bảng mạch điện khoa học và hợp lí.
+ Vẽ ra đường dây dẫn điện để nối các linh kiện với nhau theo sơ đồ nguyên lí. + Dây dẫn không chồng chéo lên nhau và ngắn nhất.
+ Hiện nay người ta có thể thiết kế các mạch điện tử bằng các phần mềm thiết kế nhanh và khoa học ví dụ các phần mềm Protel, Workbench...
Căn cứ vào ưu nhược điểm của từng mạch, giá thành các mạch, chúng tôi đã thiết kế được mạch, được thể hiện trên hình 2.5.
2.4.2. Linh kiện cần thiết
− Diodes N4007. − LED siêu sáng. − Chuông điện 1 chiều − Board đồng.
− Transistors IRFZ44N.
− Điện trở 50kΩ, 270Ω, 560Ω. − Tụ giấy một chiều 100µF,50V. − Dây dẫn.
− Máy hàn, thiếc, nhựa thông. − Nguồn 9V và 12V
2.4.3. Nguyên lý hoạt động của mạch
Do đặc tính của điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ anốt đến catốt khi phân cực thuận nên điốt ở đây có tác dụng lớn cho việc dẫn điện và nối các bộ chuông đèn với
nhau. Transistor IRFZ44 có điện áp là 55V,dòng chịu đựng trung bình là 49A, có điện trở là 17mΩ. Thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang AC, nhưng transistor còn là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, nên nó có tác dụng lớn cho việc xem đội nào nhấn chuông nhanh hơn. Tụ điện có phần giống ac quy, nó có ý nghĩa về mặt tích trữ dòng điện, nên được sử dụng trong mạch để phóng điện cho chuông kêu và đèn sáng. Sử dụng điện trở có trị số lớn như 50kΩ và 560Ω có tac dụng bảo vệ mạch va còn có tác dụng làm phân cực điện áp cho transistor. Còn điện trở 270Ω sử dụng cho việc bảo vệ đèn LEDvà chuông.