Báo cáo - Thiết kế mạch tương tự P1 pptx

Hình trên biểu diễn một quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật chất thì một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon quang năng và nhảy lên

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

BÁO CÁO THẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰ

NHÓM 5 - LỚP K10F

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : THẦY ĐỖ ĐÌNH HƯNG

NĂM HỌC 2009 - 2010

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đỗ Đình Hưng

Thành viên trong nhóm 5:

1 Hà Duy Hoàng (21/12/1989)

2 Đỗ Lê Thanh (28/08/1989)

3 Phạm Văn Hoàng (10/09/1989)

4 Nguyễn Xuân Thắng (13/09/1986)

5 Nguyễn Thị Kim Thủy (14/12/1989)

6 Trần Quang Huy (05/06/1989)

BÁO CÁO MÔN HỌC

THIẾT KẾ MẠCH

TƯƠNG TỰ

Đề tài: Thiết kế mạch cảm biến ánh sáng:

 Khi có ánh sáng chiếu vào thì tắt

 Khi không có ánh sáng chiếu vào thì đèn sáng

I NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ:

Dựa vào hiện tượng quang điện, một số kim loại khi có ánh sáng chiếu vào sẽ chuyển đổi

nó thành năng lương điện

Hình trên biểu diễn một quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật chất thì một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon (quang năng)

và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei

Có hai hiện tượng quang điện chính là:

Hiệu ứng quang điện nội hay hiệu ứng quang dẫn ( photconductive effect) Hiện tượng xảy ra khi chiếu ánh sáng lên vật liệu bán dẫn hay điện môi Khi đó , các e thoát khỏi trạng thái liên kết và chuyển thành e tự do ( chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn) nhưng khong bay ra ngoài ->làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn hay điện môi

Hiệu ứng quang điện chỉnh lưu( photvoltaic effect) : khi chiếu ánh sáng lên chỗ tiếp

xúc của 2 chất bán dẫn khác nhau hay bán dẫn với kim loại thì sinh 1 thế quang điện và 1 dòng e đc giải phóng tự " chảy " theo 1 hướng nhất định trong 1 lớp chặn -> giúp biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện

Năng lượng tối thiểu cần thiết của phôtôn để gây ra được thực hiện tượng quang điện trong gọi là năng lượng kích hoạt (A) Nó đóng vai trò như công thoát

Muốn gây ra hiện tượng quang dẫn trong thì ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng một giá trị nào đó λ0, gọi là giới hạn quang dẫn của chất bán dẫn

Vì năng lượng cần thiết để giải phóng electron liên kết trong chất bán dẫn thường nhỏ hơn công thoát A của electron trong kim loại, nên giới hạn quang điện của chất bán dẫn nằm trong vùng ánh sáng hồng ngoại

Năng lượng kích hoạt và giới hạn quang dẫn của một số chất

Chất A (eV) λ 0 (mm)

Chất quang dẫn và Hiện tượng quang điện trong

Chất quang dẫnLà chất bán dẫn có tính chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện tốt khi chiếu ánh sáng ở mức độ thích hợp

Các chất quang dẫn: Ge, Si, PbS, PbSe, CdS …

Theo thuyết lưởng tử, bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn được giái thích như sau:

+ Khi chưa chiếu ánh sáng => e liên kết với các nút mạng => không có e tự do => cách điện

+ Khi bị chiếu ánh sáng, các photon sẽ truyền năng lượng (ε = hν) cho một liên kết

e Nếu e nhận được năng lượng đủ lớn => giải phóng => e dẫn đến hình thánh lỗ trống, cả e và lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện và kim loại bán dẫn lúc này ở trạng thái dẫn điện Hiện tượng giái phóng các hạt tái điện (electron và

lỗ trống) xáy ra bên trong khối bán dẫn khi bị ánh sáng chiếu vào nên còn gọi là hiên tượng quang dẫn hay hiện tượng quang điện trong

Tinh thể Gecmani với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ

Giới hạn quang dẫn:

Ứng dụng: Pin quang điện và Quang điện trở Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp Người ta ứng dụng đặc tính này của quang trở để làm ra các mạch phát hiện sáng/tối

II SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH ĐIỆN:

Các phần tử trong mạch:

Nguồn: Pin 12V

LDR (Light dependent resistor)

Quang trở

1 Điện trở 10KΩ

1 Điện trở 500Ω

1 transistor BC547

Một vài LED (3V => 3.5V)

Mạch đƣợc thực hiện trên Breadbroad (Xem Phụ lục)

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH:

R2: điện trở phân áp mạch cấp cực góp

R1, VR, LDR: điện trở phân áp mạch cấp cực gốc

Trong đó: R1 còn là điện trở bảo vệ cực gốc khi quá tải (tức khi VR = 0)

VR có giá trị 100k có tác dụng điều chỉnh độ nhạy của mạch:

Khi điều kiện ánh sáng sáng kém tiêu chuẩn thì Vr sẽ tăng giá trị

Khi điều kiện ánh sáng sáng hơn tiêu chuẩn thì VR sẽ tăng giá

LDR : quang trở để điều khiển mạch điện tùy thuộc vào ánh sáng chiếu vào

Khi chưa có ánh sáng chiếu vào:

Chiều dòng điện trong mạch như sau:

Trong đó, T (transistor) được điều khiển bằng dòng IB có giá trị:

BE B

BE

U I

R



(UBE , RBE là điện áp và điện trở của mặt ghép BE)

Khi chưa chiếu sáng, LDR có giá trị rất lớn => UBE ≈ +Vs

Vậy dòng IB lớn và cho phép dòng IC chạy qua => Đèn sáng

Khi có ánh sáng chiếu vào:

Dựa vào công thức trên, ta có lập luận tương tự :

Khi chiếu sáng, LDR có giá trị rất nhỏ => UBE ≈ 0

Vậy dòng IB rất nhỏ và không cho phép dòng IC chạy qua => Đèn tối

IV PHỤ LỤC:

A Quang điện trở

Điện trở quang là một cấu kiện bán dẫn thụ động, không có lớp tiếp xúc P-N Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường là Cadmium Sulfid (CdS), Cadmium Selenid (CdSe), Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác Tất cả các vật liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn nhạy quang

A.1 Cấu tạo:

Điện trở quang gồm một lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang rải lên một tấm vật liệu cách điện và 2 chân dẫn điện Để chống ẩm người ta bọc bên ngoài quang trở một lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó Tất cả được bọc trong một vỏ bằng chất dẻo có cửa sổ cho ánh sáng đi qua

A.2 Nguyên lý làm việc:

Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do quá trình hấp thụ quang năng, từng cặp điện tử- lỗ trống mới xuất hiện Do vậy, nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện của nó tăng, hay nói cách khác là điện trở của chất bán dẫn giảm xuống ề phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm

Độ dẫn điện được tạo ra khi được chiếu ánh sáng là:

   0 F

Trong đó:

σ0: là độ dẫn điện khi chưa có chiếu sáng

σF: là độ dẫn điện được tạo ra do ánh sáng

σF = q(μ0 + μp)Δp

ở đâyΔn = Δp – nồng độ điện tử bằng nồng độ lỗ trống mới sinh ra

Dòng điện quang tính theo công thức:

Iph = q.Δp.(μ0 + μp).E.w.d

trong đó w.d là tiết diện của lớp bán dẫn nhạy quang, E là cường độ điện trường

Qua công thức trên ta thấy độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn có thể thay đổi được khi ta thay đổi nồng độ hạt dẫn và độ linh động hiệu dụng của điện tử và lỗ trống Như vậy, khi ta thay đổi cường độ chiếu sáng lên điện trở quang thì cường độ dòng điện trong mạch cũng thay đổi theo Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Tùy vào vật liệu chế tạo, khi chưa có ánh sáng vào thì quang trở có giá trị hàng

MΩ và khí có ánh sáng chiếu vào giảm xuống còn vài trăm Ω

Hình vẽ mô phỏng quá trình cho dòng điện đi qua của Quang trở

B Transitor ( Bóng bán dẫn ) :

B.1 Cấu tạo của Transistor

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

NPN tranzito và kí hiệu

PNP tranzito và kí hiệu

Cấu tạo Transistor

• Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

• Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại

bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

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 xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor

B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn

Transistor do Mỹ sản xuất thường ký hiệu là 2N ví dụ 2N3055, 2N4073 vv

Transistor do Trung quốc sản xuất : Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái Chữ cái thức 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

1 xác định bằng cách dùng VOM: đo lần lượt các cặp chân của transistor ( điện thuận rồi ảo chiều lại) tổng cộng là 6 lần đo Trong đó có 2 lần lên kim và trong 2 lần lên kim đó có 1 que cố định và chân ở que cố định là chân B nếu que cố định này là đen thì trans là loại PNP còn ngược lại là NPN

B.2 Nguyên tắc hoạt động của Transistor

Xét nguyên lý hoạt động của Transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không

có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng

IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức

IC = β.IB Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích: Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối

tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua

Transistor

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B