thiết kế mạch tự động bật tắt đèn

Chúng ta đang sống ở thế kỷ của sự bừng nổ khoa học kỹ thuật. Đặc biệt là các thiết bị điện, điện tử, chúng hầu như xuất hiện ở mọi nơi trong cuộc sống. Trong các thiết đó không thể thiếu các mạch điện tử. Nó có vai trò rất quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của thiết bị điện tử. Cùng với sự phát triển vượt bậc đó thì nguồn năng lượng được sự dụng tăng cao đồng nghĩa với việc gây ảnh hưởng đến hiện tượng nóng lên toàn cầu. Do đó chúng ta cần có những thiết bị gọn nhẹ, tiết kiệm hay những ý tưởng sáng tạo độc lạ. Chính vì lý do trên nên nhóm em đã chọn đề tài “Thiết kế mạch tự động bật tắt đèn” sử dụng IC555 bằng quang trở với cơ chế đèn sáng khi trời tối và ngược lại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn: Ngô Lê Minh Tâm

Sinh viên thực hiện: Phan Quang Châu

Võ Hữu An

Năm học 2021-2022

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

1.1 Lý do chọn đề tài 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 5

2.1 IC NE555 5

2.2 Quang trở 7

2.3 Điện trở 9

2.4 Biến trở 12

2.5 Rơ le 14

2.6 Tụ điện 16

2.7 Trasistor 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 20

3.1 Giới thiệu về phần mềm protues 20

3.2 Sơ đồ khối chức năng 21

3.3 Sơ đồ nguyên lý 22

3.4 Thiết kế mạch in PCB 23

3.5 Kết quả thực hiện 24

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

LỜI NÓI ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống ở thế kỷ của sự bừng nổ khoa học kỹ thuật Đặc biệt là các thiết bị điện, điện tử, chúng hầu như xuất hiện ở mọi nơi trong cuộc sống Trong các thiết đó không thể thiếu các mạch điện tử Nó có vai trò rất quan trọng để đảm bảo sự hoạt động của thiết bị điện tử Cùng với

sự phát triển vượt bậc đó thì nguồn năng lượng được sự dụng tăng cao đồng nghĩa với việc gây ảnh hưởng đến hiện tượng nóng lên toàn cầu Do

đó chúng ta cần có những thiết bị gọn nhẹ, tiết kiệm hay những ý tưởng

sáng tạo độc lạ Chính vì lý do trên nên nhóm em đã chọn đề tài “Thiết

kế mạch tự động bật tắt đèn” sử dụng IC555 bằng quang trở với cơ chế

đèn sáng khi trời tối và ngược lại Đây là mạch điều khiển giúp chúng ta tối ưu sử dụng năng lượng bóng đèn 220V trong gia đình, nó cũng có thể ứng dụng trong đèn đường giao thông ở các vùng nông thôn phải bật tắt bóng đèn thủ công

Thông qua đồ án em đã có dịp hiểu biết thêm về nhiều loại linh kiện điện tử cũng như nguyên lý hoạt động của nhiều loại mạch Tuy nhiên do năng lực còn hạn chế nên đồ án này không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong có được những đóng góp quý báu của thầy cô và toàn thể các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động , cách ứng dụng của IC555 và quang trở (LDR)

Củng cố kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử, rèn luyện kĩ năng

vẽ mạch, in mạch cũng như làm mạch thực tế thông qua phần mềm thiết

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Vẽ và chạy mạch trên phần mền mô phỏng, sau đó in mạch PCB cuối cùng là làm mạch thực tế

CHƯƠNG 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

2.1 IC NE555

2.1.1 Ứng dụng của IC

IC NE555 là một mạch tích hợp của hãng CMOS sản xuất, là một linh kiện khá phổ biến để tạo được xung PWM và có thể thay đổi tần số tùy thích NE555 làm việc với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung Vì vậy, NE555 được sử dụng trong một loạt các bộ đếm thời gian, thế hệ xung, dao động và các ứng dụng NE555

có thể được sử dụng để cung cấp cho sự chậm trễ thời gian, như một dao động, và như là một yếu tố flip-flop Các dẫn xuất cung cấp lên đến bốn mạch thời gian trong một gói

Hình 2.1: ảnh minh họa IC NE555

2.1.2 Cấu tạo của IC555

- Chân 1: (ground) là chân nối mass để tạo dòng điện, nếu không nối mass thì IC

sẽ không làm việc theo ý muốn

- Chân 2 : (Trigger) Đây

là chân so sánh với mức áp chuẩn là 1/3 Vcc Nếu chân này lớn hơn 1/3Vcc thì sẽ cho ra tín hiệu S = 0 và nếu nhỏ hơn 1/3Vcc thì sẽ cho ra là S = 1

- Chân 3: (Output) : Chân tín hiệu ra ở dạng xung vuông

- Chân 4: (Reset) Chân này tích cực ở mức thấp khi nối lên dương nguồn thì Ic hoạt động bình thường còn khi ở mức thấp thì nó sẽ xóa về 0

- Chân 5: ( Control Voltage) Chân này là chân điều chỉnh điện áp ,chân này chỉ dùng

để điều chỉnh độ rộng của Ic 555 nếu nó làm nhiệm vụ điều chế độ rộng của xung còn nếu làm việc ở mạch dao động hoặc trì hoãn thì chân này có thể bỏ hở hoặc mắc thêm

Hình 2.2 Cấu tạo bên trong IC555

2.1.3 Nguyên lí hoạt động

Bộ chia điện áp gồm ba điện trở 5k giống hệt nhau ,tạo ra 2 điện áp tham chiếu

là 1/3 và 2/3 điện áp được cũng cấp có thể dao động từ 5V đến 15V

Tiếp theo là hai bộ so sánh ,ở đây nó dùng Ic thuật toán để tạo mạch so sánh.Bộ

so sánh là một phần tử mạch so sánh hai điện áp đầu vào dương (không đảo) và đầu vào âm ( đảo) của nó.Nếu điện áp đầu vào tại cực dương cao hơn điện áp đầu vào tại cực âm thì bộ so sánh sẽ cho tín hiệu ra là 1 Ngược lại,nếu điện áp tại cực âm cao hơn điện áp tại cực dương thì bộ so sánh sẽ xuất tín hiệu ra là 0

2.2 Quang trở

2.2.1 Quang trở là gì

Quang trở còn được gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào Về cơ bản, bạn có thể hiểu nó là một tế bào quang điện được hoạt động

dựa theo nguyên lý quang dẫn Hay có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường độ ánh sáng

Quang trở được sử dụng nhiều trong các mạch cảm biến ánh sáng, đèn đường, báo động ánh sáng, đồng hồ ngoài trời,…

Hình 2.3: quang trở (LDR) thực tế

2.2.2 Cấu tạo

Cấu tạo của quang trở gồm 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực Linh kiện này được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với 2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và có thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng

Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là Cadmium Sulphide (CdS) được sử dụng là chất quang dẫn, thường không chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào

2.2.3 Nguyên lý hoạt động

Quang trở được là bằng chất bán dẫn có trở kháng rất cao và không có một tiếp giáp nào Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài MΩ Còn khi có ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở có thể giảm xuống mức một cho đến vài trăm Ω

Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong một khối vật chất Khi mà các photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ khiến cho các electron bật ra khỏi các phân tử và trở thành các electron tự do trong khối chất và từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện Mức độ dẫn điện của quang trở tùy thuộc vào phần lớn các photon được hấp thụ

Khi ánh sáng lọt vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện

sẽ được tăng lên Tùy thuốc vào chất bán dẫn mà các quang trở sẽ có những phản ứng khác nhau với các loại sóng photon khác nhau

2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Quang trở với một số ưu điểm như giá thành rẻ, đa dạng về kích cỡ

có thể áp dụng với nhiều các bo mạch khác nhau, kích thước phổ biến có đường kính mặt là 10mm Cùng với đó là năng lượng tiêu thụ và điện áp hoạt động nhỏ

Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm nên độ chính xác sẽ không cao Thời gian phản hồi của quang trở nằm trong khoảng từ hàng chục cho đến hàng trăm mili giây

2.3 Điện trở

2.3.1 Cấu tạo

- Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với 2 tiếp điểm nối Chức năng của nó dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện đồng thời có trong nhiều ứng dụng khác

Hình 2.4: Điện trở thực tế

- Điện trở công suất sẽ giúp tiêu tán 1 lượng lớn điện năng chuyển sang nhiệt năng trong các hệ thống phân phối điện, trong các bộ điều khiển động cơ Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động

- Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật liệu Điện trở được định nghĩa chính là tỉ số của hiệu điện thế giữa 2 đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó

- Ohm (ký hiệu: Ω) là đơn vị của điện trở trong hệ SI, Ohm được đặt theo tên

2.3.2 Mã màu điện trở

Hình 2.6: bảng xác định giá trị điện trở

- Điện trở ở vị trí bên trái có giá trị được tính như sau:

5, và đỏ tương ứng với giá trị số mũ 2 Vòng màu cuối cho biết sai số của điện trở có thể trong phạm vi 5% ứng với màukim loại vàng

- Điện trở ở vị trí giữa có giá trị được tính như sau:

đen tương ứng với 0, và cam tương ứng với giá trị số mũ 3 Vòng cuối cho biết giá trị sai số là 2% ứng với màu đỏ

- Điện trở ở vị trí bên phải có giá trị được tính như sau:

2, và tím tương ứng với 7, vàngtương ứng với số mũ 4, và nâu tương ứng với sai số 1% Vòng màu cuối cho biết sự thayđổi giá trị của điện trở theo nhiệt độ là 10 PPM/°C

Lưu ý: Để tránh lẫn lộn trong khi đọc giá trị của các điện trở, đối với các điện trở có tổng sốvòng màu từ 5 trở xuống thì có thể không bị nhầm lẫn vì vị trí bị trống không có vòng màusẽ được đặt về phía tay phải trước khi đọc giá trị Còn đối với các điện trở có độ chính xáccao và có thêm tham số thay đổi theo nhiệt độ thì vòng màu tham số nhiệt sẽ được nhìn thấycó chiều rộng lớn hơn và phải được xếp về bên tay phải trước khi đọc giá trị

Do các điện trở cố định thường có sai số đến 20%, tức là có thể biến đổi xung quanhtrị số danh định đến 20% Cho nên không cần thiết phải có tất cả các trị số 10,

11, 12,13, Mặt khác các mạch điện thông thường đều cho phép sai số theo thiết kế Nên chỉcần các trị số 10, 15, 22, 33, 47, 68, 100, 150, 200, là đủ

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của điện trở

Theo định luật Ohm: điện áp (V) đi qua điện trở tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện (I) và tỉ lệ này là 1 hằng số điện trở (R)

Công thức định luật Ohm: V=I*R

Ví dụ: nếu 1 điện trở 400 Ohm được nối vào điện áp 1 chiều 14V, thì cường độ dòng điện đi qua điện trở là 14/400 = 0.035 Amperes Điện trở thực tế cũng có một điện cảm và điện dung ảnh hưởng tới mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong mạch xoay chiều hiện nay

2.3.4 Công dụng của điện trở

Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy thì điện trở là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau:

- Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp Ví dụ có 1 bóng đèn 9V, nhưng ta chỉ có nguồn 12V Chúng ta có thể đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt

áp bớt 3V trên điện trở

- Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được 1 điện áp theo ý muốn từ 1 điện áp cho trước

- Phân cực cho bóng bán dẫn hoạt động

- Tham gia vào các mạch tạo dao động R C

- Tạo ra nhiệt lượng trong các ứng dụng cần thiết

- Tạo ra sụt áp trên mạch khi mắc nối tiếp

2.4 Biến trở

2.4.1 Biến trở là gì?

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện từ,

Ký hiệu của biến trở trong sơ đồ mạch điện có thể ở các dạng như sau:

Hình 2.7: Ký hiệu của điện trở

2.4.2 Cấu tạo của biến trở

Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:

- Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn

- Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng

- Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được cố định ở đầu của điện trở Các cực này được làm bằng kim loại Cực còn lại là một cực

di chuyển và thường được gọi là cần gạt Vị trí của cần gạt này trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của bi

Hình 2.8: Mặt cắt ngang của điện trở

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của biến trở

Đúng như tên gọi của nó là làm thay đổi điện trở, nguyên lý hoạt động chủ yếu của biến trở là các dây dẫn được tách rời dài ngắn khác nhau Trên các thiết bị sẽ có

vi mạch điều khiển hay các núm vặn Khi thực hiện điều khiển các núm vặn các mạch kín sẽ thay đổi chiều dài dây dẫn khiến điện trở trong mạch thay đổi

Thực tế việc thiết kế mạch điện tử luôn có một khoảng sai số, nên khi thực hiện điều chỉnh mạch điện người ta phải dùng biến trở, lúc này biến trở có vai trò phân áp, phân dòng trong mạch Ví dụ: Biến trở được sử dụng trong máy tăng âm để thay đổi

âm lượng hoặc trong chiếu sáng biến trở dùng để thay đổi độ sáng của đèn

2.5 Rơ le

2.5.1 Cấu tạo của rơ-le

Rơ le (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơ-le tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt, vì thế rơ-le có hai vị trí chuyển mạch qua lại

Rơ le được sử dụng phổ biến ở các bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng

để đóng cắt những cái dòng điện lớn mà những hệ thống mạch điều khiển không thể trực tiếp can thiệp thì người ta sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dòng điện cao rơ le có rất nhiều hình dáng và kích thước và chân cắm khác nhau

Hình 2.9: Một số hình ảnh rơ-le

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.Trên rơ le có 3 kí hiệu là: NO, NC và C

- COM (common): là chân chung là nơi kết nối đường cấp nguồn chờ, 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 và NO là hai chân chuyển đổi:

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

Cấu tạo gồm 2 phần :

- Cuộn hút (nam châm điện)

- Phần mạch tiếp điểm (mạch lực) dạng lẫy có thể là một lá đồng đàn hồi để đóng hoặc mở các tiếp điểm điện

Khi cấp nguồn điện áp định mức chạy qua cuộn hút này sẽ trở thành nam châm điện tạo ra một từ trường có lực hút lẫy tiếp điểm, tiếp điểm sẽ đóng cho dòng điện chạy qua và tải bóng đèn hoạt động

Hình 2.10: Mô phỏng rơ le

2.5.2 Chức năng của rơ le

- Chuyển mạch nhiều dòng điện hoặc điện áp sang các tải khác nhau sử dụng một tín hiệu điều khiển

- Cách ly các mạch điều khiển khỏi mạch tải hoặc mạch được cấp điện AC khỏi mạch được cấp điện DC

- Giám sát các hệ thống an toàn công nghiệp và ngắt điện cho máy móc nếu đảm bảo độ an toàn

2.6 Tụ điện

Tụ điện là thiết bị điện tử quan trọng trong các mạch dao động, mạch lọc, mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều Tụ là loại linh kiện điện tự thụ động, chúng được tạo bởi 2 bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi xuất hiện chênh lệch điện thế tại hai bề mặt thì các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu nhau Về khía cạnh trữ năng lượng thì tụ điện có phần tương tự như ắc quy Tóm lại,

tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực son song, cách điện 1 chiều nhưng nhờ nguyên

lý phóng nạp để cho dòng điện xoay chiều đi qua

2.6.1 Cấu tạo tụ điện ra sao

Tụ điện được cấu tạo từ 2 bản cực kim loại được đặt song song Tên gọi của tụ điện phụ thuộc vào chất liệu cách điện trong bản cực Ví dụ lớp cách điện là không khí thì tên tụ sẽ là tụ không khí, nếu là gốm thì sẽ là tụ gốm,… Trên tụ điện sẽ được ghi trị số điện áp cụ thể Đây chính là giá trị điện áp cực đại mà tụ điện có thể chịu

Nếu sử dụng cao hơn giá trị này thì tụ điện sẽ bị nổ

2.6.2 Công dụng của tụ điện

Tụ điện có tác dụng gì? Từ những nguyên lý tụ điện trên đây chắc bạn đã phần nào hiểu được những tác dụng của tụ điện rồi chứ Tuy nhiên, chúng tôi vẫn muốn giải thích công dụng của tụ điện được rõ hơn