Chương 3: Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng và mạch đèn giao thông
3.2 Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng
Den duong Q2 LED
2N1069
Re2 10 Re1
10 Quang trở
R
Q3 C828
0V 1k
Rc
D 1N4007
AC=220v
VR 50k VCC=5v
Q1 A564
RL1
RELAY SPST 4
3 1 2
Hình 3.1 3.2.2 Mô tả mạch điện
Mạch điện trên bao gồm các linh kiện: Quang trở, biến trở, điện trở, điốt, relay, transistor, bóng đèn.
a) Quang trở:
Là một loại điện trở có khả năng thay đổi nội trở theo nguồn sáng. Nguồn sáng càng giảm ( tối dần) nội trở của biến trở càng tăng. Nó là linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp pn. Vật liệu dùng để chế tạo quang trở là CdS(Cadmium sulfid), ZnS (Zine sulfid), hoặc các tinh thể hỗn hợp khác.
Hình 3.2
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 24
Một đầu của quang trở đƣợc nối với cực bazơ của transistor (Q1), một đầu nối với VCC. Quang trở có nhiệm vụ phân áp định thiên cho Q1. Đây là linh kiện quan trọng nhất trong mạch điện có thể cảm nhận đƣợc sự thay đổi của các điều kiện ngoại cảnh tác động để tự động điều khiển thay đổi việc đóng tắt đèn đúng lúc và chính xác.
*Các đặc tính quan trọng của một quang trở
1) Độ dẫn xuất σphot: Là hàm số của mật độ năng lƣợng U với độ dài sóng không đổi của ánh sáng.
σphot(u); λ= const
2) Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ: Đó chính là độ dẫn xuất σphot hàm số của λ khi mật độ năng lƣợng không thay đổi.
σphot (λ)
Srel(λ) = ; U= const σphot max
3) Vận tốc làm việc: Là thời gian hồi đáp của một quang trở khi có sự thay đổi từ sáng sang tối (decay) hay từ tối sang sáng (rise) thời gian lên đƣợc xác định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65% trị số cuối cùng khi đƣợc chiếu sáng từ 0-1˚lux.
Thời gian trễ đƣợc xác định là thời gian cần thiết để một quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với trị số lúc đƣợc chiếu sáng – khoảng 10 lux trong 1s) khi không còn đƣợc chiếu sáng.
Với cường độ ánh sáng mạnh quang trở làm việc nhanh hơn. Quang trở làm việc chậm hơn nếu đƣợc cất giữ trong bóng tối và làm việc nhanh hơn nếu đƣợc cất giữ ngoài ánh sáng.
4) Tiếng ồn NEP:
Đơn vị của NEP là w/√Hz
Khả năng dò tìm của một detector gọi là Detectivity D. Với A là diện tích tích cực của một detector.
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 25
√A
D = ; D có đơn vị là √Hz W-1cm NEP
5) Hệ số nhiệt độ của quang trở:
Mỗi loại quang trở có một hệ số nhiệt khác nhau. Hệ số nhiệt độ của quang trở tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng. Do đó để giảm bớt sự thay đổi trị số của quang trở theo nhiệt độ quang trở cần đƣợc cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa. Ở mức chiếu sáng thấp và trị số quang trở cao cho ta sự sai biệt khá lớn so với trị số chuẩn.
6) Điện trở tối (dark resistance ):
Trị số của quang trở trong bóng tối với nhiều trường hợp ứng dụng cần phải biết. Nó cho ta dòng điện dò lớn nhất với một điện thế trên quang trở. Dòng dò lớn quá sẽ dẫn đến sự sai lệch khi thiết kế mạch điện.
7) Đặc tính độ dốc:
Trong nhiều trường hợp không chỉ trị số tuyệt đối của quang trở với mức chiếu sáng nhất định cần biết được người ta còn cần biết sự thay đổi trị số quang trở khi cường độ chiếu sáng thay đổi. Một cách để cho ta sự liên hệ này là thông số . Thông số này ta định nghĩa như một đường thẳng nối liền 2 điểm phân biệt trên 1 đường cong quang trở với mức chiếu sáng là 10 lux và 100 lux.
8) Điện thế hoạt động:
Tùy theo cấu trúc mặt nạ của quang trở ta có các điện thế hoạt động khác nhau. Điện thế này có thể lên tới 0,5 kv/mm. Trị số công suất tiêu tán cao nhất hạn chế trị số dòng và điện thế. Điện thế hoạt động cao nhất đƣợc đo khi quang trở hoạt động trong bóng tối.
9) Công xuất tiêu tán:
Khi hoạt động nhiệt độ bên trong quang trở cần giữ thấp hơn nhiệt độ cho phép ví dụ 75. Nếu trong các trường hợp ứng dụng với điện thế thấp cho ta công xuất tiêu tán bé, cấu trúc của quang trở có thể nhỏ. Trong trường hợp điện thế và
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 26
dòng điện cao hơn cấu trúc vật lí của quang trở phải rộng lớn hơn để màng bán dẫn có thể tỏa nhiệt tốt.Với tính chất hóa học của vật liệu quang trở cho phép quang trở làm việc và đƣợc cất giữ trong một giải nhiệt độ giới hạn
10) Độ nhạy R [VW-1] S
R = S là tín hiệu hồi tiếp
P P công suất bức xạ chiếu trên điện trở quang
b) Biến trở VR:
- Biến trở cũng tương tự như một điện trở cố định, ngoại trừ ta có thể điều chỉnh trị số của chúng bằng con chạy hoặc xoay.
Trong mạch điện một đầu của biến trở cũng đƣợc nối với cực bazơ của Q1
để phân áp định thiên cho Q1. Đầu kia của biến trở đƣợc nối với mass. Ta điều chỉnh để giá trị điện trở của biến trở ở tầm khoảng 50K. Nó kết hợp với quang trở để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều phân cực cho transistor theo CT:
RVR
UB= Vcc
RR+RVR
Hình 3.3 Biến trở
Hình 3.4 Kí hiệu
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 27
c) Điện trở Re:
Là linh kiện rất phổ biến đƣợc chế tạo với nhiều kích cỡ khác nhau, thể loại khác nhau tương ứng với công xuất mà điện trở có thể chịu đựng được, công dụng của nó là hạn chế dòng hoặc điều chỉnh dòng điện và phân chia điện áp trong mạch điện.
Trong mạch nguyên lí điện trở Re1 đƣợc dùng làm điện trở hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho Q1. Re2 đƣợc dùng làm điện trở hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho Q3
Một đầu của Re1 đƣợc nối vào cực C của Q1, đầu còn lại nối mass. Lấy giá trị của Re1 khoảng 10. Một đầu Re2 nối vào cực E của Q3, một đầu nối mass
d) Các transistor Q1, Q2, Q3:
Đƣợc dùng trong mạch lần lƣợt là A564 (thuận cao tần) và C828 (nghịch cao tần) có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện để điều khiển relây. Vì tín hiệu nhỏ nên dùng nguyên Q1 khuếch đại tín hiệu vẫn chƣa đủ lớn nên ta mắc thêm Q2 nối vào cực E của Q1. Các Q1,Q2 đƣợc mắc theo tổ hợp Darlington.
Mạch Darlington cở bản có sơ đồ nhƣ sau:
3.5 Điện trở
3.6 Kí hiệu
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 28
Vì cực E1 nối trực tiếp vào cực B2 nên IE1 = IB2
Transistor Q1 có: IE1 ≈ IC1 = β1IB1 (1) Transistor Q2 có: IE2 ≈ IC2 = β2IB2 (2) Nên khi thay (1) vào (2) ta có:
IE2 = β2IB2 = β2IE1 = = β2β1IB1
Nếu gọi dòng điện ngõ vào (đầu vào) của mạch là IV=IB1. Dòng điện ngõ ra là IR=IE2. β là độ khuếch đại dòng điện của toàn mạch thì:
IR IE2 β = = = β2β1
IV IB1
Ngoài kiểu mạch trên thì mạch Darlington còn có các kiểu mạch khác nhƣ sau:
Q2 Q1
Q1
Q2
Q2 Q1
Các transistor ngoài thực tế có rất nhiều hình dáng với đủ mọi kích cỡ:
Q2 Q1
Hình 3.7: Transistor
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 29
e) RELAY từ trường:
Là một cuận dây có một giá trị cảm ứng đặc biệt (Lc tính theo henries) để tạo thành một công tắc đóng/ tắt. Khi được nạp một giá trị cường độ dòng ổn định. Trong mạch điện khi có dòng điện chạy qua cuận dây của relay sinh ra từ trường hút tiếp điểm của relay đóng lại cấp nguồn cho đèn sáng. Một đầu tiếp điểm của relay đƣợc nối với AC = 220V.
Q1 A564
Q2 C828
Hình 3.8: Kí hiệu (A564 và TC828)
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 30
Kí hiệu của relay vẽ trong sơ đồ nguyên lí:
Hình 3.10 Kí hiệu f) Diode (điốt):
Để tránh dòng ngƣợc làm hỏng Q1, Q2 ta lắp thêm điốt có cực anôt nối với cực C của Q2 còn katôt nối với Vcc.
Điốt dẫn cường độ dòng điện rất dễ dàng theo một hướng và không dẫn theo hướng ngược lại. Linh kiện này có thể xem như một dạng công tắc ngắt mạch cứng đơn giản nhất hoặc đóng hoặc mở. Điốt mang rất nhiều đặc tính hữu dụng như xác định trước dung kháng (như áp dụng trong cách khiển áp) và có một vùng điện áp rất ổn định. Vì thế chúng thường được dùng như các tụ khiển áp và ổn áp.
Do các điốt chỉ dẫn điện một chiều nên chúng thường được dùng trong các mạch nắn điện, mạch đảo các tín hiệu AC thành những xung điện DC trong các mạch công suất và máy thu vô tuyến. Những điốt có khả năng hoạt động nhƣ các mạch khiển áp và thường thay thế những công tắc cơ hoặc relay trong các mạch ứng dụng điều khiển từ xa.
RL1
RELAY -SPST 4
3 1
2
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 31
g) Đèn đường ta sử dụng đèn led mắc phía sau relay và một đầu được nối mass.
Led: Là linh kiện phổ thông của quang điện trở. Led cho những lợi điểm cao nhƣ tần số hoạt động cao, thể tích nhỏ công suất tiêu hao bé, không rút điện mạnh khi bắt đầu hoạt động (nhƣ bóng đèn rút điện 10 lần nhiều hơn lúc mới cháy). Led không cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc. Sự phát sinh ra ánh sáng của led trên nguyên tắc hoàn toàn khác với một bóng đèn, ở đây vật chất bị đun nóng và photon đƣợc phóng thích.
Điốt phát quang cũng có cấu trúc lớp chuyển tiếp pn cũng có đặc trƣng kĩ thuật như các điốt thông thường: Chiều dẫn điện và chiều không dẫn điện. Tuy nhiên led lại có mức ngƣỡng điện áp chiều dẫn cao từ (1,6 đến 3v) và có điện áp nghịch tương đối thấp khoảng (3v - 5v)
Hình 3.11: Hình dáng điốt
Điốt Điốt biến dung Điốt ổn áp Điốt ổn áp đối xứng Hình 3.12: Kí hiệu điốt
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 32
Bảng trên cho ta tính chất quan trọng nhất của các led:
Bức xạ của led là đơn sắc , λp là độ dài sóng có bức xạ cực đại và Δλ là nửa độ rộng của phổ. Led đỏ có Δλ = 20 nm bé nhất với cơ chế tái hợp trực tiếp giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Với độ dài sóng ngắn dần cho ta có trị số hiệu suất bé đi (cột 3). Linh kiện chế tạo từ pha lỏng có hiệu suất cao hơn từ pha hơi.
Cột áp chót cho ta thấy led đỏ làm việc nhanh nhất.
Cường độ sáng của led giảm dần khi nhiệt độ tăng. Khi nhiệt tăng 1˚C (đo ở 25˚C led đỏ giảm độ sáng 1,5%, vàng 0,7%, xanh lá cây 0,5%. Sự giảm sáng này mắt thường không thấy được nhưng trong việc truyền tin, tự động hóa cần có một mạch điện làm gia tăng dòng điện điốt để trung hòa hiệu ứng nhiệt. Điện áp ngƣỡng của led thay đổi theo nhiệt độ từ -1,5mV/˚C đến 2,5mV/˚C khi nhiệt độ tăng phổ bức xạ của led cũng dịch chuyển về phía sáng có độ dài lớn hơn. Độ dịch chuyển này từ 0,1 đến 0,3nm/˚C
Điều quan trọng khi sử dụng led luôn luôn với một điện trở mắc nối tiếp
Điốt λp Δλ % Φv
(mm)
Uf tr
Đỏ GaAlAs
650 20 3 1,1
80
1,8 50
Đỏ GaAsP
660 20 0,6 0,19
8
1,6 50
Cam 635 40 0,6 0,34
50
2,0 100
Vàng 585 40 0,1 0,04
20
2,2 100
Xanh 565 40 0,2 0,09
60
2,4 400
Trường ĐHSP Hà Nội 2 - Khoa Vật lý Khóa luận tốt nghiệp
Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 33
Điện áp ngƣỡng của led có các trị số khác nhau:
Đỏ 1,6-2v Cam 2,2-3v
Xanh lá cây 2,7-3,2v Vàng 2,4-3,2v
3.2.3 Nguyên lí hoạt động của mạch
Khi trời sáng giá trị của quang trở giảm nên dòng điện và điện áp đặt vào cực B của Transitor Q1 cao nên Q1 khoá, Q1 khoá nên tạo ra điện áp ở chân B của Transitor Q2 giảm nên tổ hợp Darlington khoá vì vậy không có dòng chạy qua relay và tiếp điểm không đóng nên đèn đường không được cấp điện.
Ngƣợc lại khi trời tối thì gía trị của quang trở tăng nên dòng và áp trên cực B của Q1 giảm làm cho Q1 mở, khi Q1 mở làm cho dòng ở cực E của Q1 tăng và làm cho tổ hợp Darlington mở tạo ra dòng chạy qua cuộn dây của Relay nên đóng tiếp điểm lại, khi tiếp điểm đóng đèn đường được cấp điện và sáng lên.