2.1. Phân tích nội dụng kiến thức chuyên đề: “Mở đầu về điện tử học” - Vật lí
2.1.1. Vị trí, vai trò của chuyên đề: “Mo đầu về điện tử học” - Vật lí 11 (2018)
2.1.4.3. Phân loại sensor theo: nguyên tắc hoạt động, hiệu quả kinh tế, phạm
vi sử dụng. [NDKT-3]
Các loại cảm biến trên thị trường hiện nay đa dang về mẫu mã, công dụng, thông số kỹ thuật... nhưng trong giới hạn khóa luận, chúng tôi sẽ xây dựng nội dung kiến
thức phù hợp với năng lực của học sinh và thời lượng tiết học của chương trình.
Cảm biến được phân loại dựa sự chuyên đôi tín tin hiệu đầu vào va tin hiệu đầu ra (input và output). Các hiện tượng phô biến như là quang điện, nhiệt điện, điện hóa,
69
điện từ, quang điện.... Các loại cảm biến nồi bật như:
Phân loại theo nguyên lý hoạt động
- Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyên con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện
- Cảm biến quang: Hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong, điện áp của cảm biến thay đổi khi có ánh sáng chiếu vào
- Cảm biến nhiệt độ: Sự thay đôi điện áp của cảm biến khí có sự thay đối nhiệt độ của cảm biến.
- Và nhiều loại cảm biến khác như: cảm biến khói, cảm biến độ am, cảm biến
điện dung, cam biến phát hiện chuyền động...
Phân loại theo phạm vi sử dụng
Dân dụng: cảm biến phát hiện chuyển động (trong các thiết bị an ninh), cảm biến khói. cảm biến hồng ngoại
Công nghiệp: cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vị trí,....
Nông nghiệp: cảm biến độ âm, cảm biến chất lượng nước, cảm biên hóa học...
Phân loại theo hiệu quả kinh tế
Thiết bị cảm biến sử dụng trong công nghiệp nói riêng và trong mọi lĩnh vực nói chung có vai trò quan trọng vì: giúp “cam nhận” các tín hiệu điều khiển vao và ra, theo đối và đo đạc các giá trị ma cảm biến đo được một cách tự động,... hiệu quả
kinh tế sẽ được nâng cao khi thiết bị cảm biến cảng chính xác. Một số khả năng của cảm biến như:
+ Độ ôn định + Độ bên
+ Độ chính xác + Độ chịu tải
+ Kích thước, trọng lượng + Độ nhạy
+ Độ chính xác + Độ phân giải
2.1.4.4. Tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán op-amp lí tưởng.
Khái niệm
70
Khuếch đại là tên gọi của một quá trình biến đối một đại lượng. đại lượng này
thông thường là dòng điện hoặc điện áp từ biên độ nhỏ thành đại lượng có biên độ
lớn hơn mả không làm thay đôi đi hình dạng (đáng điệu) ban đầu.
Mạch khuếch đại
là mạch điện mắc phối hợp giữa các linh kiện điện tử đẻ khuếch đại tin hiệu về mặt điện áp. dòng điện. công suất.
Khuyếch đại thuật toán Op-amp.
Hình 2. 7 Sơ đồ mạch nguyên lý của mạch Op-amp
Nguồn: (Lê Đức Anh Tuan, 2021)
Khuếch đại thuật toán (OPAMP — Operational Amplifier) là mach IC tuyến tính có hệ số khuếch đại điện áp rất lớn, trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ.
- _ Điện trở giữa hai cực V+ va cực V- gọi la Zin, điện trở dau ra gọi là Zout; OP- AMP lý tưởng là OP-AMP có Zin = & và Zout = 0. Dòng điện tại các công đảo
và công không đảo của OPAMP bằng không; hai đầu vào của OPAMP có cùng
điện áp.
- Tỷ số A= ` được gọi là hệ số khuếch đại, với OP — AMP lý tưởng hệ số A
có thẻ lên tới 10° 410°, cho nên OP — AMP lý tưởng được dùng dé khuếch
đại những tín hiệu có điện áp rất nhỏ (cỡ vài tÕ ).
2.1.4.5. Thiết bị đầu ra
a) Nguyén tắc hoạt động của mạch Op-amp - CMs. (NDKT-5]
Nguyên tắc hoạt động của mạch OP-AMP — CMs dùng dé hiệu chuân như nguyên
tặc của
71
mạch khuếch đại không đảo. Nghĩa là ding OP-AMP để tạo ra một áp như mong đợi
bằng cách chỉnh tỷ số a
=
Hình 2. 8 Mach khuếch đại không đáo
Nguồn: Internet
Xét mạch Op-amp lý tưởng có R, =%,I, =0 nên Vị = V/ =0. Khi đó dong điện qua R:
R, R, Hệ số khuếch đại:
A=*s__¡
V R,
Từ đó ta có:
Vụ == Ry VR,
Mạch op-amp — CMs được ứng dụng trong nhiều mạch điện. Tuy nhiên, trong giới hạn tiêu luận chúng tôi sẽ phân tích nguyên lí hoạt động của mạch này trong mạch
sau:
Khi LDR có ánh sang:
Giả sử rằng chiết áp được kết nối với cực không đảo ngược đã được điều chỉnh dé cung cấp một điện áp 6V.
Khi quang điện tro LDR nhận được ánh sáng thì điện tro của nó giảm xuống thấp.
Khi đó điện áp nhỏ hơn 6V được đặt vào 2 đầu không đảo. Vậy, tại đầu vào đảo
ngược có điện áp cao hơn đầu vào đầu không đảo nên đầu ra thấp. Do đó, sẽ không có dòng điện đến transistor lưỡng cực và đèn LED cũng ở trang thái tắt.
Khi LDR trong bóng tối:
Khi quang điện tro không có ánh sang, điện trở của LDR tăng lên (lớn hơn 4.7 k©).
72
- Khi đó điện áp đặt vào đầu đảo ngược sẽ khoáng 6V. Do đó, đầu ra của OP-AMP
ở trạng thái cao.
- Kết quả là đèn LED vả transistor lưỡng cực ở trạng thái BẬT.
b) Relays [NDKT-6]
Ti Đám.
Hình 2. 9 Cấu tạo của Relay điện từ
Nguồn: Internet
Khái niệm
Relay là một công tắc điện tử được vận hành bởi một dong điện tương đối nhó đẻ bat/tat một dòng điện lớn hơn gấp nhiều lần. Bên trong của relay có thành phan cơ bản gồm một nam châm điện và một tiếp điểm. Thường dùng trong thiết bị báo
cháy (bật chuông). vườn rau thông minh (bật máy bơm tự động). ...
Hình 2. 10 Mạch Relay trong thực tế
Nguồn: Internet
Nguyên tắc hoạt đông
Rơ le điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc của một lực hút điện từ. Khi mạch của role cảm nhận được dòng sự cô, nó sẽ cung cấp năng lượng cho trường điện
tỪ tạo ra từ trường tạm thời. Dòng điện chạy qua cuộn đây tạo ra từ trường xung quanh nó. Do từ trường nay, cánh tay trên của nam châm thu hút cảnh tay dưới do
73
đó đóng mạch, làm cho dòng điện chạy qua tải.
cì LED [NDKT-7]
Cấu tạo của LED
Hình 2. 11 Cau tạo của đèn LED.
Nguôn: Internet
Nguồn cắp dòng cho Led
+);-—
Lỗ (nỗi trồng) se Hạt điện tir
2 eeeeee Mưcdấn NI :---=~~~~~=* Mức Fermi
==es.=eee=e=ô=ô.e “ Đ Khe (vung cam)
©OOOOOCOC 8
— Mức hóa trị
Hình 2. 12 Minh họa nguyên tắc hoạt động của đèn LED.
„ Nguồn: Internet
Nguyên tặc hoạt động
Hoạt động của LEDs dựa trên công nghệ bán dẫn. Khi một electron ở đáy Vùng
Dan của chat bán dan rơi vào một lỗ trống ở đỉnh Vùng Hóa Trị, thì năng lượng Eg sẽ được giải phóng (Eg là bẻ rộng Vùng Cam). Năng lượng nay có thé biến thành năng lượng nhiệt đao động cho mang tinh thẻ (như chat bán dan là Silic), hoặc trong một số vật liệu bán dẫn đưới một điều kiện nao đó, năng lượng nay xuất hiện ra dưới
dang một bức xạ điện từ có bước sóng cho bởi:
Av=SŠ= = _ he
V E,£
74
Các dén LEDs bản trên thị trường được chế tạo dé anh sáng phát ra trong vùng thay được thường dùng vật liệu bán dẫn là hợp chất Ga-As-P (Gali-Arsen-Phospho) với một tỉ lệ thích hợp. Kết quả, khi xảy ra hiện tượng phát quang,, LEDs cho ra ánh sáng có bước sóng trong vùng nhìn thay được theo yêu cau (đỏ, xanh lá, vàng...)
2.1.4.5. Thiết bị cảm biến Khái niệm thiết bị cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lí hay hóa học
ở môi trường cần khảo sát và biến đôi thành tín hiệu điện.
Một số ứng dụng chính của thiết bị cảm biến [NDTK-8]
Trong công nghiệp, sản xuất:
- Cam biến quang: thường được dùng cho các máy đếm sản phẩm, đếm hang
hóa chạy trên các băng tải, dén sang tự động nơi công cộng...
- Cam biến tiệm cận: được sử dụng trong các đây chuyền sản xuất đếm và phân
loại sản phâm.
Trong sinh hoạt hằng ngày:
- Cam biến chuyên động: đèn bật tat tự động trong gia đình, chống trộm...
- Cam biến độ âm: tưới cây tự động.
- Cam biến hồng ngoại: máy ấp trứng, nhiệt kế hong ngoại, máy rửa tay tự
động....
Trong giới hạn khóa luận, tôi chỉ trình bày nguyên tắc hoạt động của mội loại cảm biến la cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SRS01.
Veo “434V
mE ito chi thời pee vé
Phew chớ: &) cằcy
Hình 2. 13 Hình ảnh thực tế của cam biển chuyền động PIR HC-SR501.
Nguon: Internet
75
TKTECH.VN
Hình 2. 14 Hình anh mình họa nguyên ly hoạt động
của cảm biển chuyển động PIR HC-SRSO1.
Nguồn: TKTECH
Hình vẽ cho thay 2 vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với 2 cảm biên trong dau
đò. Khi có một ngưởi/ vật đi ngang qua vùng cảm biến, người đó sẽ luôn phát ra bức xạ hồng ngoại. nó được hap thụ mạnh với kính Fresnel và rồi hội tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi vật/ người đi ngang, ở ngả ra của đầu dò sẽ xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu nay sẽ được cho vào mạch xử lý dé tạo tác dụng điều
khién hay báo động tín hiệu.