Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 cánh diều Bài 2: Thiết bị đầu ra

VUI MỪNG CHÀO ĐÓN CÁC EM QUAY TRỞ LẠI VỚI MÔN HỌC!

Các thiết bị đầu ra hoạt động như thế nào?

Chúng ta đã biết, tín hiệu từ cảm biến được bộ xử lí sử dụng để tạo ra một hiệu điện thế. Hiệu điện thế này có thể được dùng để điều khiển nhiều thiết bị như hiển thị độ nóng, lạnh, bật, tắt một mạch điện hay đo một đại lượng vật lí,… Các thiết bị như vậy là thiết bị đầu ra.

KHỞI ĐỘNG

BÀI 2:

THIẾT BỊ ĐẦU RA

NỘI DUNG BÀI HỌC

I.

Diode phát sáng và op-amp

II.

Relay và op-amp

III.

Vôn kế và op-amp

I. DIODE PHÁT SÁNG VÀ OP-AMP

• Diode là một thiết bị bán dẫn, chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều mà không cho dòng điện đi qua theo chiều ngược lại.

1. Diode phát sáng

• Diode được gọi là phân cực thuận khi nó cho dòng điện đi qua và được gọi là phân cực ngược khi không cho dòng điện đi qua.

Hình 2.1. Kí hiệu trạng thái phân cực của diode

Diode phát sáng (LED) là loại diode phát ra ánh sáng khi có dòng điện thích hợp qua nó. LED có nhiều màu khác nhau: đỏ, xanh, vàng, hổ phách,…

Hình 2.2. Các LED có màu khác nhau và kí hiệu của LED trong sơ đồ

2. Nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – LED

Nêu nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – LED.

• Khi đầu ra là dương đối với đất, LED D1 sẽ được phân cực thuận và phát ra ánh sáng; LED D2 sẽ được phân cực ngược và không phát ra ánh sáng.
• Khi phân cực của đầu ra thay đổi, LED D2 sẽ được phân cực thuận và phát ra ánh sáng; LED D1 sẽ được phân cực ngược và không phát ra ánh sáng.
• Các LED có thể được chọn để chúng phát ra ánh sáng có màu khác nhau.

Hình 2.3. Sơ đồ dùng LED để chỉ trạng thái đầu ra của op-amp

Em có biết?

Để hoạt động, LED phải được nối đúng cực của nguồn.

Chân dài đánh dấu là đầu dương

Chân ngắn đánh dấu là đầu âm

Câu hỏi 1 (SGK - tr.47)

Trong Hình 2.5, đầu vào V+ có ghép với cảm biến nhiệt độ và đầu vào V- của op-amp có mạch chia điện thế. Sự sáng, tối của LED có cho ta biết được vùng nhiệt độ của môi trường tác động lên cảm biến nhiệt độ hay không?

Hình 2.5. LED hiển thị trạng thái đầu ra của op-amp

Có

II. RELAY VÀ OP-AMP

1. Relay

• Relay là một công tắc điện từ. Cuộn dây đóng vai trò nam châm điện, khi có dòng điện chạy qua, nó sẽ tạo ra một từ trường hút lõi sắt, từ đó làm đóng mở công tắc.
• Công tắc này được sử dụng để bật hoặc tắt dòng điện có cường độ lớn hơn nhiều lần cường độ dòng diện chạy trong cuộn dây của relay.

Câu hỏi 2 (SGK - tr.48)

Vì sao không thể mắc trực tiếp phụ tải với đầu ra của op-amp?

Vì hiệu điện thế đầu ra bị giới hạn bởi nguồn điện. Dòng điện đầu ra nhỏ hơn 25 mA.

Câu hỏi 3 (SGK - tr.48)

Trong Hình 2.6, khi cuộn dây của relay chưa có dòng điện, các tiếp điểm A1, A2 tiếp xúc nhau hay không tiếp xúc nhau?

Không tiếp xúc nhau.

Giải thích

Khi cuộn dây của relay chưa có dòng điện, các tiếp điểm A1, A2 không tiếp xúc nhau, vì khi chưa có dòng điện thì cuộn dây chưa trở thành nam châm điện → không có tác dụng lực từ lên thanh gạt.

Khi có dòng điện, cuộn dây trở thành nam châm điện, nam châm điện tác dụng lực từ, hút thanh gạt về phía của nó, thanh gạt nâng tiếp điểm A2 lên → khi đó các tiếp điểm tiếp xúc nhau.

2. Nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – relay

Nêu nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – relay.

Dòng điện do op-amp tạo ra được đưa vào cuộn dây của relay, điều khiển nó bật hoặc tắt dòng điện có cường độ lớn hơn qua cặp tiếp điểm A1 và A2.

• Relay có thể được kết nối với đầu ra của op-amp để điều khiển mạch điện có cường độ dòng điện lớn.
• Diode D2 được dùng để bảo vệ op-amp khỏi dòng điện cảm ứng trong cuộn dây relay mỗi khi dòng điện trong cuộn dây của relay bị ngắt.
• Đầu ra của op-amp có thể là dương hoặc âm. Tuy nhiên, diode D1 chỉ dẫn điện khi đầu ra là dương đối với đất → Cuộn dây relay chỉ được cấp điện khi đầu ra của op-amp là dương.

III. VÔN KẾ VÀ OP-AMP

1. Vôn kế

Vôn kế là dụng cụ đo hiệu điện thế giữa hai đầu thiết bị điện. Khi đo, vôn kế được mắc song song với thiết bị điện cần đo.

2. Nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – vôn kế

Nêu nguyên tắc hoạt động của mạch op-amp – vôn kế.

• Có thể đo các đại lương như nhiệt độ, cường độ ánh sáng,…bằng cách dùng hiệu điện thế ở đầu ra của op-amp.

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lí đo nhiệt độ bằng mạch op-amp - vôn kế

• Hiệu điện thế ở đầu ra của op-amp không phải lúc nào cũng tỉ lệ thuận với đại lượng vật lí được đo. Vậy nên, khi dùng vôn kế làm thiết bị đầu ra của op-amp, có thể cần hiệu chuẩn.

Hình 2.9. Đường cong hiệu chuẩn liên hệ số chỉ của vôn kế ở đầu ra của op-amp với nhiệt độ

Câu hỏi 4 (SGK - tr.49)

Đặt cảm biến nhiệt độ ở mạch op-amp – vôn kế và một nhiệt kế vào bình nước có nhiệt độ thay đổi để làm gì?

Để ứng với một giá trị nhiệt độ của bình nước có một số chỉ của vôn kế.

THỰC HÀNH, KHÁM PHÁ

Thiết kế hệ thống dùng LED làm tín hiệu cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng

Dụng cụ:

• Nguồn điện 5 V.
• Phần tử cảm biến nhiệt độ có điện thế ở đầu ra được tính theo biểu thức Vcb = 0,01 t, với t là nhiệt độ nơi đặt nó.
• Op-amp.
• Các điện trở R1 và R2.
• Điện thế đầu ra Vcb của cảm biến được đưa trực tiếp vào cổng (+).
• Điện thế V- được trích từ nguồn 5 V qua mạch chia thế gồm điện trở R1 và R2+.

Yêu cầu:

• Vẽ sơ đồ mạch điện.
• Tính hiệu điện thế ra Vcb của cảm biến khi nhiệt độ môi trường bằng 300C.
• Giả sử R1 = 470 Ω và R2 = 6,8 kΩ. LED sáng hay tối khi nhiệt độ là:
• Cho R1 = 1 kΩ, tìm R2 để LED sáng khi nhiệt độ vượt ngưỡng 600C.

--------------- Còn tiếp ---------------