Báo cáo - Thiết kế mạch tương tự P1 pptx

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
TƢƠNG 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 tƣợng quang điện, một số kim loại khi có ánh sáng chiếu vào sẽ chuyển đổi
nó thành năng lƣơng điện.

Hình trên biểu diễn một quá trình mà tại đó khi có một photon tƣơng tác với vật chất
thì một điện tử ở mức năng lƣợng cơ bản E
k
sẽ nhận thêm năng lƣợng của photon (quang
năng)
và nhảy lên mức năng lƣợng kích thích E
i


Có hai hiện tƣợng quang điện chính là:

. Hiệu ứng quang điện nội hay hiệu ứng quang dẫn ( photconductive effect) Hiện
tƣợng 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)
nhƣng 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 hƣớng nhất định trong 1 lớp chặn > giúp biến
đổi trực tiếp năng lƣợng mặt trời thành điện

Năng lƣợng tối thiểu cần thiết của phôtôn để gây ra đƣợc thực hiện tƣợng quang điện
trong gọi là năng lƣợng kích hoạt (A). Nó đóng vai trò nhƣ công thoát.
Muốn gây ra hiện tƣợng quang dẫn trong thì ánh sáng kích thích phải có bƣớc
sóng ngắn hơn hoặc bằng một giá trị nào đó λ
0
, gọi là giới hạn quang dẫn của chất bán
dẫn.
Vì năng lƣợng cần thiết để giải phóng electron liên kết trong chất bán dẫn thƣờng

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 lƣợng kích hoạt và giới hạn quang dẫn của một số chất

Chất
A (eV)
λ
0
(mm)
Ge
0,66
1,88
Si
1,12
1,11
PbS
0,30
4,14
PbSe
0,22
5,65
PbTe
0,25
4,97
CdS
0,72

0,90
CdTe
1,51
0,82

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 lƣởng tử, bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn đƣợc giái thích
nhƣ sau:
+ Khi chƣa 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 lƣợng (ε = hν) cho một liên kết
e. Nếu e nhận đƣợc năng lƣợng 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 tƣợng 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 tƣợng quang dẫn hay hiện tƣợng 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 thƣờng, điện trở của quang
trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất
thấp. Ngƣời 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.
Điều kiện ánh sáng
Giá trị của LDR
Sáng
Mạnh (1000 lux)
Ω
Yếu (10 lux)
kΩ
Tối
MΩ


Khi chưa có ánh sáng chiếu vào:
Chiều dòng điện trong mạch nhƣ sau:
+Vs R2 T 0
Trong đó, T (transistor) đƣợc điều khiển bằng dòng I
B
có giá trị:
BE
B
BE
U
I
R


(U

BE ,
R
BE
là điện áp và điện trở của mặt ghép BE)
.
11
11
SS
BE LDR
VV
U U LDR
RR
LDR LDR
  


Khi chƣa chiếu sáng, LDR có giá trị rất lớn => U
BE
≈ +Vs
Vậy dòng I
B
lớn và cho phép dòng I
C
chạy qua. => Đèn sáng
Khi có ánh sáng chiếu vào:
Dựa vào công thức trên, ta có lập luận tƣơng tự :
Khi chiếu sáng, LDR có giá trị rất nhỏ => U
BE
≈ 0
Vậy dòng I

B
rất nhỏ và không cho phép dòng I
C
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
thƣờng là Cadmium Sulfid (CdS), Cadmium
Selenid (CdSe), Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các
tinh thể hỗn hợp khác. Tất cả các vật liệu này
đƣợc 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 ngƣời ta bọc bên ngoài quang trở một
lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó. Tất cả đƣợc 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 lƣợng 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 phƣơng diện năng lƣợng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một
năng lƣợng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Nhƣ vậy năng
lƣợng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lƣợng của dãi cấm.

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

0 F
  


Trong đó:
σ
0
: là độ dẫn điện khi chƣa có chiếu sáng
σ
F:
là độ dẫn điện đƣợc tạo ra do ánh sáng
σ
F
= q(μ
0
+ μ
p
)Δp
ở đâyΔn = Δp – nồng độ điện tử bằng nồng độ lỗ trống mới sinh ra.

Dòng điện quang tính theo công thức:
I
ph
= q.Δp.(μ
0
+ μ
p
).E.w.d
trong đó w.d là tiết diện của lớp bán dẫn nhạy quang, E là cƣờng độ điện trƣờng.
Qua công thức trên ta thấy độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn có thể thay đổi đƣợc
khi ta thay đổi nồng độ hạt dẫn và độ linh động hiệu dụng của điện tử và lỗ trống.
Nhƣ vậy, khi ta thay đổi cƣờng độ chiếu sáng lên điện trở quang thì cƣờng 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 chƣa 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

Khi chƣa có ánh sáng Khi có ánh sáng



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 đƣợc Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta
đƣợc Transistor ngƣợc. về phƣơng diện cấu tạo Transistor tƣơng đƣơng với hai
Diode đấu ngƣợc chiều nhau .

NPN tranzito và kí hiệu

PNP tranzito và kí hiệu

Cấu tạo Transistor
• Ba lớp bán dẫn đƣợc 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 đƣợc 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 ) nhƣng có kích thƣớc và nồng độ tạp chất khác nhau nên
không hoán vị cho nhau đƣợc.
Phân biệt các loại Transistor PNP và NPN ngoài thực tế. Transistor Nhật bản : thƣờng 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 ngƣợc NPN.
các Transistor A và C thƣờng có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor
B và D thƣờng có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn.
Transistor do Mỹ sản xuất. thƣờng 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 ngƣợc, 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 lƣợt 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 ngƣợc 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 đƣợc cấp điện nhƣng vẫn không
có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N đƣợc 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

Nhƣ 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 nhƣng các điện tử và lỗ trống không thể vƣợt 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 ) vƣợt
qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lƣợng 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 dƣới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua
Transistor.
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tƣơng tự Transistor NPN nhƣng cực tính của
các nguồn điện UCE và UBE ngƣợc lại . Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E
sang B.