Mạch đèn tín hiệu và mạch đén nháy đa hài dùng Transistor

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thông ====o0o==== Báo cáo bài tập lớn Đề tài: Mạch đèn tín hiệu và mạch đèn nháy đa hài dùng Transistor Giảng viên hướng dẫn: Phùng Kiều Hà Sinh viên thực hiện: Phạm Ngọc Giao Lưu Quang Hưng Lớp:Điện tử 8 – K51 Hà Nội 6 - 2009 Đặt vấn đề. Như chúng ta đã biết “tín hiệu” là thông số của một quá trình,sự thay đổi của tín hiệu theo thời gian tạo ra tin tức hữu ích. Trên quan điểm kĩ thuật người ta phân chia làm 2 loại tín hiệu:tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Tín hiệu tương tự là tín hiệu thay đổi liên tục theo thời gian và có thể nhận mọi giá trị trong khoảng biến thiên của nó. Ngược lại tín hiệu số là tín hiệu đã được rời rạc hóa về mặt thời gian và lượng tử hóa về mặt biên độ. Tín hiệu có thể được khuyếch đại,điều chế,truyền đạt.v.v Để gia công tín hiệu người ta dùng 2 loại mạch cơ bản là mạch tương tự và mạch số. Trong những năm gần đây kỹ thuật số phát triển rất mạnh mẽ và đóng vai trò rất quan trọng trong việc gia công tín hiệu nhưng nó không thể thay thế hoàn toàn mạch điện tương tự được. Thực tế có nhiều thuật toán mà chúng ta không thể dùng mạch số được hoặc dùng mạch số không kinh tế bằng mạch tương tự hoặc trong mạch số có nhưng thành phần mạch tương tự. Do đó trong báo cáo này chúng em xin đề cập đến 2 mạch điện tương tự đơn giản nhưng có nhiều ứng dụng trong thực tế và hiệu quả hơn khi sử dụng trong thực tế so với mạch số: mạch đèn tín hiệu và mạch đèn nháy đa hài dùng Transistor. II.Phân công nhiệm vụ. Phạm Ngọc Giao(nhóm trưởng): +Mô phỏng mạch bằng WorkBench. +Hàn và lắp giáp mạch,chạy thử mạch. +Viết và trình bày báo cáo bằng Word. +Báo cáo trước lớp. Lưu Quang Hưng: +Viết báo cáo bằng Slide. +Mua và kiểm tra thông số linh liện trước khi hàn mạch. +In báo cáo. III.Nội dung báo cáo. Mạch đèn nháy đa hài. 1.Sơ đồ nguyên lý. 2.Nguyên lý hoạt động. Sơ đồ thời gian của mạch: Ura1 Ʈ1 ʈ0 ʈ1 ʈ2 ʈ3 ʈ ura2 Ʈ2 ← ʈ1 ʈ2 ʈ3 ʈ Ura1 và Ura2 là điện áp ra ở chân Colecter của 2 Transistor. Nguyên tắc hoạt động của mạch là dựa vào sự biến đổi trạng thái liên tục của xung vuông ở đầu ra để tạo sự chớp tắt liên tục cho 2 Led. Khi mạch hoạt động tồn tại 2 trạng thái cân bằng,mỗi trạng thái cân bằng chỉ tồn tại trong một thời gian nhất định rồi tự động lật sang trạng thái kia và ngược lại. Do đó mạch này còn có tên là mạch đa hài tự dao động. Đặc điểm của mạch này là chu kỳ xung ra phụ thuộc vào chu kỳ của điện áp đồng bộ,còn độ rộng xung ra phụ thuộc vào các thông số R,C của mạch. Nguyên lý hoạt động: việc hình thành xung vuông ở cửa ra được thực hiện sau một khoảng thời gian Ʈ1 = ʈ1 - ʈ0 (đối với đầu ra 1) và Ʈ2 = ʈ2 - ʈ1 (đối với đầu ra 2) nhờ các quá trình đột biến chuyển trạng thái tại các thời điểm ʈ0, ʈ1, ʈ2… Trong khoảng thời gian Ʈ1 transistor Q1 khóa, Q2 mở. Tụ C1 đã được nạp đầy trước thời điểm ʈ0 ,phóng điện qua Q2,qua D2, qua nguồn Ec, qua R1 theo đường +C1→Q2→D2→R1→ -C1 làm điện thế trên cực bazơ của Q1 thay đổi .Đồng thời trong thời gian này tụ C2 được nguồn Ec nạp theo đường +E→D1→Q2→ -E làm điện thế trên cực bazơ của Q2 thay đổi. Lúc ʈ = ʈ1 UB1≈ 0.6V Q1 mở, xảy ra quá trình chuyển trạng thái lần thứ 1,do mạch là hồi tiếp dương làm cho mạch lật đến trạng thái Q1 mở,Q2 khóa. Trong khoảng thời gian Ʈ2 = ʈ2 - ʈ1 trạng thái trên được giữ nguyên, tụ C2(đã được nạp từ trước ʈ1) bắt đầu phóng điện theo đường +C2→Q1→D1→R2→ -C2 và C1 bắt đầu quá trình nạp tương tự như đã nêu trên cho tới thời điểm ʈ = ʈ2 thì UB2 ≈ 0.6V làm cho Q2 mở và xảy ra đột biến lần 2 chuyển mạch về trạng thái ban đầu Q1 khóa, Q2 mở. Độ rộng xung Ʈ1 và Ʈ2 được tính theo công thức: Ʈ1= R1C1 ≈ 0.7R1C1 Ʈ2 = R2C2 ≈ 0.7R2C2 Nếu ta cho R1=R2, C1=C2 và Q1 giống với Q2 ta được Ʈ1=Ʈ2 và ta được mạch đa hài đối xứng, ngược lại ta có mạch đa hài không đối xứng. Chu kì của xung vuông ra xấp xỉ nguồn cung cấp Ec. 3.Các thông số của mạch điện,giá trị các linh kiện. Do mạch là mạch đa hài nên hoạt động với các trạng thái chuẩn và xảy ra quá trình lật trạng thái nên Transistor cần dùng là loại NPN hoạt động ở chế độ khóa và khuyếch đại do đó chọn C1815,mạch là mạch đa hài tự dao động đối xứng => Q1=Q2=C1815 (có thể dùng C828). Nguồn Ec = 3V, 2led. Tụ C1, C2 có chức năng phóng nạp để tạo sự thay đổi điện áp trên cực bazơ của các Transistor nên tụ cần dùng là tụ hóa,mạch đa hài đối xứng nên C1=C2, giá trị của C1,C2 phụ thuộc vào ta muốn chọn độ rộng xung là bao nhiêu(tức thời gian đèn sáng là bao nhiêu). Trong mạch này ta chọn R1=R2=10k ; C1=C2= 47µF => Ʈ1=Ʈ2 =0.47s ; Chu kì xung Ʈ = Ʈ1+Ʈ2 = 0.94s Biên độ xung ra Ura1 = Ura2 = 3V. 4.Ứng dụng của mạch trên : Mạch trên được ứng dụng trong thiết kế dàn đèn nháy để trang trí, mạch đèn báo hiệu sự cố hoặc khẩn cấp trong các xe cứu hỏa, cấp cứu, xe 113 hoặc đèn phát tín hiệu SOS. Ngoài ra mạch còn được dùng để tạo xung vuông trong các mạch khác với tần số <= 1000Hz với độ chính xác tương đối. Mạch nguyên lý trong IC tạo dao động 555. 5.Nhận xét,kết luận. Chúng ta có thể điều chỉnh độ rộng xung(hay thời gian nhấp nháy) bằng cách thay đổi các thông số R1,R2,C1,C2. Nếu các thông số trên không giống nhau ta sẽ có đa hài không đối xứng,khi đó thời gian nháy của các đèn sẽ khác nhau. Nếu ta thay C1 hoặc C2 bằng điện trở và không có hồi tiếp dương và đầu vào chân B của các transistor là tín hiệu xoay chiều ta sẽ được mạch đa hài đợi với tần số nháy sẽ phụ thuộc vào tần số của nguồn tín hiệu xpoay chiều. Với mạch trên chúng ta có thể tạo ra một mạch tạo xung vuông với tần số <= 1000Hz, còn với tần số cao trên 10kHz thì không sử dụng,vì sẽ làm xấu các thông số của xung vuông do ảnh hưởng có hại của quán tính các Transistor(tính chất tần số: hiệu ứng Miller làm gia tăng điện dung của các tụ điện ở ngõ vào và ngõ ra do đó làm thay đổi hệ số khuyếch đại cuả transistor). Để tạo ra các xung vuông có tần số cao người ta sử dụng mạch đa hài dùng IC khuyếch đại thuật toán hoặc IC tuyến tính. Do Diod quang(Led) chỉ chịu được điện áp đánh thủng là 5V do đó trong quá trình điều chỉnh 3V =< Ec <= 5V . Chú ý khi hàn mạch tránh để nhiệt mỏ hàn gây hỏng các linh kiện cũng như làm thay đổi thông số các linh kiện sẽ gây xấu các thông số đầu ra của mạch. Chú ý phân biệt đầu A,K của Led,thứ tự chân của C1815, tụ 47µF có chân rất ngắn nên cần hàn nối thêm. Để có thêm sự hiệu biết giữa đa hài đối xứng chúng ta có thể chọn các điện trở và tụ điện có giá trị khác nhau rồi quan sát sự sáng tắt thay đổi trên đèn Led. B.Mạch đèn tín hiệu. 1.Sơ đồ nguyên lý. Các linh liện sử dụng trong mạch : các transistor C828, H1061, đèn led, biến trở VR 100K, tụ C1=C2= 100µF, các điện trở RB1= 100k, RC1 = RE2 = R = 1k; RC2 = 680Ω 2.Nguyên lý hoạt động. Q1 và Q2 được mắc thành mạch đa hài tự dao động tạo xung vuông như mạch đèn nháy đa hài ở trên. Nhưng do RC1 ≠ Rc2; RB1 ≠ RB2 nên mạch trên là mạch đa hài tự dao động không đối xứng, biến trở VR có tác dụng thay đổi thời gian phóng nạp của tụ C1 từ đó làm thay đổi độ rộng của xung vuông => làm thay đổi chu kì xung vuông ở đầu ra => thay đổi tần số của xung vuông. Tín hiệu ở đầu ra của Emiter Q2 được đưa qua Q3 để khuyếch đại dòng cho đèn led. Để điều chỉnh tần số chớp tắt của đèn led ta điều chỉnh biến trở VR. 3.Tính toán các thông số của mạch và chọn các linh kiện. Do Q1 và Q2 được mắc theo mạch đa hài tự dao động nên,các Transistor làm việc ở chế độ khuyếch đại điện áp nên Q1 = Q2 =C828. Tín hiệu ở đầu ra Emiter của Q2 là tín hiệu dòng điện dùng để thay đổi độ sáng của Led nên Q3 dùng là H1061 để khuyếch đại dòng điện. Điện trở RE2 có chức năng ổn định dòng ra; tụ C1, C2 có chức năng phóng nạp để thay đổi điện áp trên cực bazơ của Q1 và Q2 từ đó thay đổi chu kì xung vuông; biến trở VR dùng để thay đổi tần số của xung vuông dẫn đến thay đổi sự chớp tắt của các led theo công thức sau : T = Ʈ1 + Ʈ2 = 0,7(C2.RB1 + C1.VR). (1) f = 1/T R có tác dụng thay giảm điện thế đặt vào cực B của Q3 tránh Q3 bị hỏng. 4.Ứng dụng của mạch. Dùng trong thiết kế các biển quảng cáo, thiết kế đèn báo hiệu những nơi nguy hiểm hay xảy ra tai nạn như nơi giao nhau với đường sắt,đường quốc lộ hoặc đèn giao thông hoặc đèn báo hiệu cho hệ thống nào đó. Để điều chỉnh tần số chớp tắt ta thay đổi biến trở VR,hoặ giá trị của các tụ điện điện trở. Muôns tần số f lớn ta nên sử dụng các điện trở,tụ điện có giá trị nhỏ. 5.Nhận xét, kết luận. Thực tế,mô hình mạch trên chỉ dùng trong mạch báo hiệu công suất nhỏ, vì BIT làm việc ở chế đọ khuyếch đại tín hiệu nhỏ.Còn với những mạch công suất lớn người ta sử dụng các IC tương tự có cấu tạo như mạch trên. Trong thực tế khi thiết kế người ta thường tính trước tần số chớp tắt f,vì vậy sẽ dễ dàng chọn các linh kiên,không sử dụng biến trở VR,mạch trên sử dụng biến trở VR chỉ với mục đích minh họa cho các kiến thức đã học. Biến trở VR hay bị nhờn do chúng ta vặn đi vặn lại nhiều lần. Do mạch sử dụng các giá trị linh kiện khá lớn, nên độ rộng xung Ʈ tương đối lớn => chu kỳ T cũng lớn => tần số nháy của mach nhỏ trong khi đó thời gian phóng tụ ngắn nên khi chạy mạch ta sẽ thấy thời gian sáng của đèn lớn hơn thời gian tắt.Để thay đổi thời gian sáng tắt ta có thể thay đổi giá trị của các điện trở và tụ điện. Trong quá trình làm mạch chúng ta cần chú ý điện áp cấp nguồn Vcc,nếu điện áp cao quá sẽ làm cháy led và làm hỏng các Transistor, nhất là H1061 rất dễ bị hỏng vì nhiệt.Vì khi H1061 hoặc VR bị hỏng sẽ ảnh hưởng đến việc điều chỉnh tần số chớp tắt của đèn. Cần chú ý tới các hệ số khuyếch đại của BJT,điện áp làm việc.Mạch cũng làm việc ở chế đọ khuyếch đại tín hiệu nhỏ(chế độ A). IV.Tài liệu tham khảo. Kĩ thuật điện tử Đỗ Xuân Thụ, NXBGD 2004. Nguyên lý căn bản và ứng dụng mạch điện tử Đỗ Thanh Hải, NXB Thống Kê. Điện tử căn bản Nguyễn Đình Bảo, NXB KHKT 2008.