BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH CHỐNG TRỘM BẰNG CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG Ngành CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN[.]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1
MẠCH CHỐNG TRỘM BẰNG CẢM BIẾN TỪ
TRƯỜNG
Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Trang 2ĐỒ ÁN CS1: MẠCH CHỐNG TRỘM BẰNG TỪ TRƯỜNG
4 MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 6
1.1 Đặt vấn đề 6
1.2 Mục tiêu đề tài 6
1.3 Nội dung đề tài 6
1.4 Yêu cầu đề tài 6
1.5 Phương pháp nghiêng cứu 6
1.6 Kết cấu đồ án 6
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
2.1 Transistor 8
2.2 SCR 100-6 11
2.2.1 Giới tiệu 11
2.2.2 Các thông số cơ bản 12
2.3 Diode 12
2.3.1 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn 12
2.3.2 Phân cực thuận cho Diode 13
2.3.3 Phân cực ngược cho Diode 14
2.4 Điện Trở 14
2.4.1 Điện trở trong thiết bị điện tử 15
2.4.2 Phân loại điện trở 15
2.4.3 Công suất của điện trở 16
2.5 Loa Phát 16
2.6 Công tắc từ 16
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 18
3.1 Thiết kế sơ đồ khối 18
3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể 18
3.1.2 Chức năng từng khối : 18
3.2 Thiết kế mạch nguyên lý : 19
3.2.1 Khối cảm biến : 19
3.2.2 Khối xử lý 20
3.2.3 Khối phát tín hiệu 21
3.2.4 Khối nguồn 22
Trang 35
3.3 Tính toán linh kiện 22
3.4 Nguyên lý hoạt động 23
CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH 24
4.1 Mạch layout 24
4.2 Mạch thực tế 25
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 27
5.1 Kết luận 27
5.2 Hướng phát triển 27
Trang 41.3 Nội dung đề tài
Sử dụng phần mềm thiết kế mạch, tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của các linh kiện, các khối trong mạch Phương pháp làm mạch in
1.4 Yêu cầu đề tài
Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến là 1 vật có từ trường sẽ làm thay đổi trạng thái đầu
ra là bong đèn , còi
Cấu tạo đơn giản , dễ dàng lắp đặt , link kiện dễ tìm kiếm , thông dụng
Nguồn đưa vào điều khiển là nguồn 9V
1.5 Phương pháp nghiêng cứu
Dựa trên phương pháp nghiêng cứu, phân tích đặc tính chức năng của các linh kiện điện tử , nguyên lý làm việc và áp dụng những kiến thức đã học cùng với sự hướng dẫn của giáo viên phụ trách để nghiên cứu xây dựng nên một mạch có chức năng chống trộm hoạt động tốt ổn định và đúng với yêu cầu đề tài
1.6 Kết cấu đồ án
Đồ án được chia thành 5 chương với nội dung cụ thể sau :
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Chương 3 : Tính toán và thiết kế
Trang 57 Chương 4 : Thi công mạch
Chương 5 : Kết luận
Trang 68
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Transistor
Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng
như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử
Transistor nằm trong khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy tính điện
tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Transistor cũng được kết hợp thành mạch tích hợp (IC), có thể tích hợp tới một tỷ transistor trên một diện tích nhỏ
Cũng giống như điốt, transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP Transistor Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được một NPN Transistor
Tên gọi Transistor là từ ghép của "Transfer" và "resistor", tức điện trở chuyển đổi,
do John R Pierce đặt năm 1948 sau khi nó ra đời Nó có hàm ý rằng thực hiện khuếch đại thông qua chuyển đổi điện trở, khác với khuếch đại đèn điện tử điều khiển dòng qua đèn thịnh hành thời kỳ đó
Phân loại:
Phân biệt các loại transistor PNP và NPN ngoài thực tế Transistor Nhật bản: thường
ký hiệu là A , B , C , D Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các transistor ký hiệu là A và B là transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là transistor ngược NPN các transistor A và C thường có công suất nhỏ và tần số làm việc cao còn các transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn
Trang 79
Transistor sản xuất theo công nghệ của Mỹ thường ký hiệu là 2N
ví dụ 2N3055, 2N3904, vv
Transistor do Trung quốc sản xuất: Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái Chữ
cái thứ nhất cho biết loại bóng: Chữ A và B là bóng thuận, chữ C và D là bóng ngược, chữ
thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là bóng âm tần, A và G là bóng cao tần Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm Thí dụ: 3CP25, 3AP20 vv
Chức năng
Transistor là linh kiện tích cực, tức là cần nguồn cung cấp năng lượng để hoạt động,
cụ thể, cần phải phân cực cho transistor để nó hoạt động Tùy theo mục đích mà Transistor
được mắc nối với mạch điện các kiểu khác nhau để thực hiện những chức năng sau:
• Khóa điện tử
• Truyền dẫn điện
• Bộ khuếch đại
Vùng hoạt đông
Transistor hoạt động được nhờ đặt một điện thế một chiều vào vùng biên
(junction) Điện thế này gọi là điện thế kích hoạt (bias voltage)
Mỗi vùng trong transistor hoạt động như một điốt Vì mỗi transistor có hai vùng và có
thể kích hoạt với một điện thế thuận hoặc nghịch Có tất cả bốn cách thức (mode) hoạt động
cho cả hai PNP hay NPN Transistor
Cách thức hoạt động (Operating
Phân cực nghịch Cut-Off Nghịch
(Reverse) Nghịch (Reverse) Phân cực thuận nghịch Active Thuận
(Forward) Nghịch (Reverse) Phân cực thuận Saturation Thuận (Forward Thuận)
Phân cực nghịch thuận
Reverse-Active
Nghịch (Reverse) Thuận)
Phân cực thuận nghịch (The Active mode) dùng cho việc khuếch đại điện thuận
Phân cực nghịch thuận (Reverse-Active) dùng cho việc khuếch đại điện nghịch
Trang 810
Vùng (The Cut-Off) and (Saturation) modes dùng như công tắc (switch) và biểu hiện trạng
thái 1,0 trong điện số
Tìm hiểu hoạt dộng:
IB: (cường độ) dòng điện qua cực Base của transistor
IC: (cường độ) dòng điện qua cực Collector của transistor
IE: (cường độ) dòng điện qua cực Emitter của transistor
IR: (cường độ) dòng điện qua điện trở R
VBE: (độ lớn) hiệu điện thế giữa 2 cực Base và Emitter của transistor Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự
UB: điện áp ở cực Base Các thông số tương tự cũng dùng kí hiệu tương tự
Dòng điện cực đại qua cực Base I B
Mỗi loại transistor có các mức dòng I B cực đại khác nhau, đừng nghĩ rằng transistor
càng to và hầm hố thì I B cực đại sẽcàng lớn hay ngược lại
Nếu dòng điện qua cực Base của transistor vượt quá mức I B cực đại, nó có thể làm hỏng transistor Do vậy người ta luôn mắc nối tiếp với cực Base một điện trở hạn dòng
Trang 911
Cường độ dòng điện cực đại I C là dòng điện tối đa mà transistor có thể mở cho nó đi
vào ở cực Collector Các loại transistor lớn nhất thường chỉ có IC tối đa khoảng 5A và đòi
hỏi phải có quạt tản nhiệt
Hiệu điện thế:
U CE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Emitter của transistor UCE thường chỉ có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này
U CB: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Collector và Base của transistor UBE thường chỉ
có trị số từ vài chục đến vài trăm volt Các dự án Arduino hầu hết đều chạy ở mức 5V hoặc thấp hơn, do đó bạn cũng không cần phải quan tâm nhiều đến thông số này
UBE: hiệu điện thế tối đa giữa 2 cực Base và Emitter của transistor (là hiệu UB - UE)
Với dòng hoạt động nhỏ, UBE gần bằng 0V Với dòng lớn hơn, U BE sẽ tăng lên lên khá
nhanh Với đa phần transistor, U BE hiếm khi vượt quá 5V
Công suất tiêu tán năng lượng tối đa (Device Dissipation/Power Dissipation) đặc
trưng cho công suất hoạt động lớn nhất của transistor, có giá trị bằng tích UCE * ICE Một số loại transistor lớn có công suất lên đến 65W như TIP120/121/122 và tỏa ra rất nhiều nhiệt lượng nên cần phải gắn thiết bị tản nhiệt, một số khác như 2N3904 thì chỉ là 625mW và không cần tản nhiệt
2.2 SCR 100-6
2.2.1 Giới tiệu
Con SCR thường làm linh kiện đóng ngắt dòng điện dùng để điều khiển các nguồn
điện, bộ biến đổi công suất , trong lĩnh vực điện tử công suất
SCR có tính năng giống các con transistor nhưng hơi khác một chút ở chỗ con SCR
tín hiệu tác động vào cổng điều khiển thì chỉ có chức năng đóng điện mà không thể
ngắt dòng điện đi qua nó
Cổng điều khiển ở con transistor là cực nền (cực Base) , còn ở SCR là chân G(Gate)
Trang 1012
2.2.2 Các thông số cơ bản
• Điện áp cực đại: 600A
• Dòng điện thuận cực đại: 0.8A
• Điện áp điều khiển mở van: 0.1 ~ 1.2V
• Dòng điều khiển mở van: 200uA
2.3 Diode
2.3.1 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn
Trang 1113
-Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P -
N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn
Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode
* Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn
Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn
2.3.2 Phân cực thuận cho Diode
-Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode
Trang 1214
bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V )
Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn
điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V
Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode
Kết luận: Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V
2.3.3 Phân cực ngược cho Diode
Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng
ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng
Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngược > = 1000V
2.4 Điện Trở
Khái niệm về điện trở
Hiểu một cách đơn giản - Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn
Điện trở của dây dẫn :
Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây được tính
theo công thức sau:
R = ρ*L / S
đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu
Trang 1315
L là chiều dài dây dẫn
S là tiết diện dây dẫn
R là điện trở đơn vị là Ohm
2.4.1 Điện trở trong thiết bị điện tử
Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng,
chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau
Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử
Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý
Đơn vị của điện trở
Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ
1KΩ = 1000 Ω
1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω
2.4.2 Phân loại điện trở
Điện trở thường : Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ 0,125W đến
0,5W
Điện trở công xuất: Là các điện trở có công xuất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W
Trang 1416
Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công xuất , điện trở
này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt
2.4.3 Công suất của điện trở
Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công xuất P tính được theo công thức
P = U I = U 2 / R = I 2 R
Theo công thức trên ta thấy, công xuất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện
đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở
Công xuất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trước khi lắp điện trở vào mạch
Nếu đem một điện trở có công xuất danh định nhỏ hơn công xuất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy
Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công xuất danh định > = 2
2.5 Loa Phát
Là loại loa nhỏ, đơn giản Loa có công suất là 0,5w; 8Ω
Hai chân:một chân cấp nguồn (dài),chân còn lại nối mass (ngắn)
2.6 Công tắc từ
-Giới thiệu
Công Tắc Từ FR3S là loại linh kiện cơ điện từ: chúng đóng hay mở mạch điện dự
trên nguyên lý từ trường Khi từ trường đủ mạnh làm chúng nhiễm từ để mở hay đóng mạch điện Loại sensor này tương đối rẻ tiền, dễ mua, bền nên có thê lắp chìm bên trong phía trên cửa rồi chám xi măng là xong Phía bên dưới cửa phía bên trong ta chỉ để cục nam châm nhỏ là có một sensor để biết sự mở cửa rất dễ dàng
Công tắc từ nhìn nó giống như một cái bóng đèn flash nhưng nó chỉ đóng hay mở mạch( đổi trạng thái) khi có từ trường đủ lớn
Trang 1618
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH
3.1 Thiết kế sơ đồ khối
3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể
3.1.2 Chức năng từng khối :
o Khối 1 : 1 Khối tác động :
Là tín hiệu từ trường đủ mạnh để khối cảm biến có thể cảm biến được Ở đây chọn
loại nam châm phổ biến ngoài thị trường , giá thành rẻ
o Khối 2 : Khối cảm biến
Chức năng :
Khi bắt được tín hiệu từ trường sẽ dẫn điện áp đến khối xử lý
Các linh kiện có thể làm được chức năng này : công tắc từ FR3S
Lựa chọn linh kiện cho mạch :
Chọn Công Tắc Từ FR3S vì linh kiện này đóng hay mở mạch điện dự trên nguyên lý
từ trường Khi từ trường đủ mạnh làm chúng nhiễm từ để mở hay đóng mạch điện
Loại sensor này tương đối rẻ tiền, dễ mua, bền nên có thê lắp chìm bên trong phía trên
Trang 17Lựa chọn linh kiện dung trong mạch :
Tranzitor A1015 , MCR 100-6 (vì nó tính năng giống các con transistor nhưng hơi khác một chút ở chỗ con SCR tín hiệu tác động vào cổng điều khiển thì chỉ có chức năng đóng điện mà không thể ngắt dòng điện đi qua nó)
o Khối 4: Khối phát tín hiệu
Chức năng :
Tín hiệu vào sẽ làm thay đổi trạng thái thiết bị có trong mạch
Linh kiện có thể làm được chức năng này : led , còi hú , còi bíp …
o Khối 5: Khối nguồn
Trang 1820
Đối với mạch này sử dụng công tắc từ FR3S để làm cảm biến từ
Khi phát hiện từ trường : 2 tiếp điểm J1 và J2 sẽ nối lại với nhau , dẫn dòng điện từ J1 qua J2 , dẫn tín hiệu điện đến khối xử lý
Trang 1921
chân B lúc này khoảng 8,5 V
=> làm cực CE của A1015 không thông
Trang 2022
VOUT = ( VXỬ LÝ * R LED)/( R2 + RLED)
+Khi có tác động : không có dòng điện từ khối xử lý đi qua => Led , còi hú , còi bíp không hoạt động
3.2.4 Khối nguồn
Ta sử dụng pin 9V để cấp nguồn cho mạch
Khối nguồn cung cấp nguồn cho khối cảm biến, và khối phát tín hiệu để mạch hoạt động
3.3 Tính toán linh kiện
𝑈1 = 𝐼15∗ 𝑅1 = 0,61 ∗ 10 = 6,1(𝐴) Điện áp tại R5
𝑈5 = 𝐼15∗ 𝑅5 = 0,61 ∗ 4,7 = 2,867(𝐴) Tính điện trở hạn dòng cho led
Điện áp qua led mà led có thể chịu được là từ 1.8-3v và dòng qua led là 10mA=> chọn điện
áp qua led 2v với dòng qua led 10mA
R2=109 mA2 0 7k 700
Chọn R2=1k Ω