Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 kết nối Bài 9: Mạch điện đơn giản có sử dụng thiết bị đầu ra

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

KHỞI ĐỘNG

Trong ngôi nhà thông minh, cánh cửa có thể tự đóng và mở khi có người qua lại, vòi nước có thể tự mở và tự khóa khi có người sử dụng, bóng đèn có thể tự bật khi trời tối và tự tắt khi trời sáng.

Làm thế nào để các thiết bị này có thể

hoạt động một cách tự động như vậy?

BÀI 9:

MẠCH ĐIỆN ĐƠN GIẢN CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐẦU RA

NỘI DUNG BÀI HỌC

I.

Mạch điện tạo tín hiệu điều khiển thiết bị tự động sử dụng cảm biến

II.

Một số mạch điện ứng dụng cảm biến

I. MẠCH ĐIỆN TẠO TÍN HIỆU

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN

HOẠT ĐỘNG NHÓM

Các nhóm lập bảng số liệu, lắp mạch với R0, R1 là biến trở, thiết bị đầu ra là một đèn LED (Lưu ý: LED phải được nối tiếp với điện trở như hình):

Mạch điện tạo tín hiệu điều khiển đèn LED

Các nhóm tiến hành khảo sát mạch điện theo cách sau:

Điều chỉnh biến trở R0 sao cho U0 ở giá trị xác định.

1

Điều chỉnh R1 để thay đổi US đồng thời quan sát đèn LED và ghi kết quả vào bảng.

2

Nhận xét hoạt động của mạch điện.

3

NHẬN XÉT:

• Với tất cả các giá trị của US sao cho US > U0 thì đèn sáng và US < U0 thì đèn tắt. Do đó U0 được xem như điện áp ngưỡng để bật - tắt bóng đèn.
• Vậy, nếu ta thay biến trở R1 bằng một cảm biến có điện trở thay đổi theo giá trị của đại lượng vật lí mà cảm biến đó nhạy (ví dụ: cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng) và thiết bị đầu ra là một relay thì chúng ta có thể điều khiển bật - tắt thiết bị điện thông qua cảm biến.

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Câu hỏi 1 (SGK - tr.54)

Vai trò của bộ khuếch đại thuật toán trong sơ đồ Hình 9.1 là gì? Có thể dùng tín hiệu trực tiếp từ cảm biến để điều khiển thiết bị mà không cần mạch khuếch đại được không?

Khuếch đại thuật toán trong trường hợp này đóng vai trò khuếch đại tín hiệu.

Tín hiệu từ cảm biến thường rất nhỏ nên không thể dùng để điều khiển trực tiếp thiết bị mà không qua mạch khuếch đại.

Câu hỏi 2 (SGK - tr.54)

Tại sao điện trở của cảm biến trong Hình 9.2 thay đổi lại làm tín hiệu điện áp tới chân vào không đảo của bộ khuếch đại thuật toán thay đổi?

Nếu thay đổi giá trị điện trở thì điện áp US sẽ thay đổi theo sự thay đổi theo điện trở của cảm biến, mỗi khi US vượt qua giá trị U0 thì điện áp đầu ra sẽ thay đổi mức giá trị.

• Bộ khuếch đại thuật toán kết hợp với cảm biến có thể tạo thành mạch điện đơn giảm để điều khiển thiết bị tự động.
• Mỗi khi US vượt quá giá trị U0 thì điện áp đầu ra sẽ thay đổi mức giá trị. Nếu nối đầu ra với một relay hoặc một thiết bị cảnh báo thì ta sẽ có một thiết bị đóng ngắt mạch điện hoặc cảnh bảo ngưỡng tự động.

GHI NHỚ

II. MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG CẢM BIẾN

1. Mạch điện chiếu sáng

Sơ đồ mạch điện thiết bị tự động chiếu sáng:

Trong sơ đồ mạch điện tử chiếu sáng, tại sao phải đặt điện áp U0, chỉ cao hơn giá trị điện áp trên cảm biến lúc trời tối một chút?

Câu hỏi (SGK - tr.55)

Hình 9.3. Sơ đồ mạch điện thiết bị tự động chiếu sáng

Điện áp trên cảm biến lúc trời tối tương ứng với ngưỡng chuyển mạch bật, tắt bóng điện mà ta mong muốn → Do đó phải đặt điện áp U0 bằng điện áp này.

Nếu đặt điện áp U0 xa với điện áp này thì sẽ dẫn đến trường hợp trời sáng nhưng đèn vẫn bật hoặc ngược lại trời tối nhưng đèn vẫn tắt.

Hình 9.3. Sơ đồ mạch điện thiết bị tự động chiếu sáng

2. Mạch điện cảnh báo rò rỉ cháy nổ

Giả sử có một cảm biến khí sao cho khi có rò rỉ khí thì điện trở của cảm biến giảm. So sánh cảm biến quang điện trở và cảm biến khí trên.

Điện trở của quang điện trở giảm khi có ánh sáng chiếu vào; điện trở cảm biến khí giảm khi có khói.

Thay cảm biến ánh sáng bằng cảm biến khí để có mạch điện cảnh báo rò rỉ khí, hãy so sánh tín hiệu ra của mạch điện chiếu sáng tự động và tín hiệu ra của mạch báo rò rỉ khí cháy nổ.

Có ánh sáng thì tín hiệu ra của mạch chiếu sáng tự động ở mức thấp (bằng 0).

Có khí rò rỉ thì tín hiệu ra của mạch báo rò rỉ khí ở mức cao.

Với mạch cảnh báo rò rỉ khí thì khi nào cần đóng (ngắt) relay?

Khi có khí rò rỉ thì đóng relay, khi không có khí rò rỉ thì ngắt relay.

Làm thế nào để relay đóng, ngắt theo yêu cầu ở trên?

Sơ đồ mạch điện của thiết bị cảnh báo rò rỉ cháy nổ:

Thiết bị cảnh báo rò rỉ khí cháy nổ

GHI NHỚ

• Mạch điện cảnh báo rò rỉ khí cháy nổ hoạt động tương tự như mạch tự động bật tắt bóng đèn.
• Con chạy của biến trở R0 được đặt sao cho điện áp U0 chỉ cao hơn điện áp US một chút khi không có rò rỉ khí.
• Khi không có rò rỉ khí, điện áp Ur ở mức thấp, còi không kêu. Khi có rò rỉ khí, điện trở của cảm biến giảm xuống đột ngột làm cho điện áp Us tăng nhanh. Nếu điện áp Us tăng cao hơn điện áp U0 thì điện áp Ur sẽ ở mức cao, còi cảnh báo sẽ được kích hoạt để phát ra âm thanh.

3. Mạch điện tự động đóng mở van nước

Giới thiệu hoạt động của diode thu phát hồng ngoại:

• Tia hồng ngoại có bản chất giống ánh sáng, do đó nó cũng bị phản xạ khi gặp vật cản.
• Diode thu hồng ngoại mắc ở chế độ phân cực ngược, có điện trở rất lớn khi không được chiếu sáng và điện trở của nó giảm nhanh khi được chiếu sáng.

Hình 9.2. Sơ đồ mạch điện tạo tín hiệu bật tắt thiết bị sử dụng cảm biến

Quan sát lại mạch điện Hình 9.2 trong SGK, đồng thời tạo mạch điện mới bằng cách thay R1 bằng diode thu hồng ngoại mắc ở chế độ phân cực ngược như hình:

Mạch tạo tín hiệu đóng - ngắt thiết bị sử dụng diode thu hồng ngoại

Giả sử điện áp lối ra Ur đang ở mức thấp, nếu ta chiếu tia hồng ngoại vào diode thì điện áp Ur sẽ thay đổi thế nào?

Mạch tạo tín hiệu đóng - ngắt thiết bị sử dụng diode thu hồng ngoại

Ur sẽ chuyển lên mức cao.

Giả sử ta có diode phát tia hồng ngoại đặt ở một vị trí cách xa diode thu hồng ngoại. Điểu chỉnh R0 sao cho điện áp Ur ở mức thấp. Ur sẽ như thế nào nếu ta đưa diode phát hồng ngoại tới gần diode thu hồng ngoại? Tại sao?

Ur sẽ chuyển lên mức cao vì cường độ tia hồng ngoại tới diode thu hồng ngoại tăng lên làm UR2 tăng vượt URO.

Nhận xét: Có thể dùng tia hồng ngoại để điều khiển trạng thái điện áp lối ra của mạch khuếch đại thuật toán, tức là có thể điều khiển được thiết bị bằng tia hồng ngoại. Dựa vào tính chất này của mạch điện, ta có thể thiết kế được mạch điện đóng, mở van nước tự động như hình:

Hình 9.8. Mạch điện đóng mở van nước tự động

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Nguồn phát tín hiệu đặt ở đầu vòi nước, đưa tay đến gần vòi nước tức là làm tín hiệu hồng ngoại ở tay mạnh hơn do đó tín hiệu phản xạ hồng ngoại trên tay tới đầu thu hồng ngoại cũng tăng lên.

Câu hỏi (SGK - tr.57)

Tại sao khi đưa tay tới gần vòi nước (Hình 9.9) thì tín hiệu phản xạ hồng ngoại tới đầu thu hồng ngoại lại tăng lên?

4. Mạch điện đo nhiệt độ

Sơ đồ mạch điện ứng dụng điện trở nhiệt làm cảm biến:

Lưu ý:

• Nhiệt độ tăng thì Ut giảm và ngược lại.
• Ảnh hưởng của dòng điện lên nhiệt độ của cảm biến Rt (dòng điện lớn thì nhiệt độ cao).

 Để cảm biến xác định chính xác nhiệt độ môi trường thì dòng điện qua nó phải nhỏ.

Chúng ta có thể dùng vôn kế để đo trực tiếp điện áp Ut để quy ra nhiệt độ không?

Có thể

Nhận xét:

Về nguyên tắc chúng ta có thể dùng đồng hồ đo trực tiếp điện áp trên Rt để quy ra nhiệt độ.

Tuy nhiên, dòng điện qua Rt phải nhỏ để nó không sinh nhiệt trên cảm biến nên điện điện áp Ut cũng nhỏ, làm phép đo khó thực hiện.

Cần phải có mạch khuếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp này lên nhiều lần. Tín hiệu được khuếch đại giúp dễ quan sát sự thay đổi của điện áp theo nhiệt độ hơn.

Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu được chỉ ra trong Hình 9.10 SGK. Với mạch điện này, điện áp Ut sẽ được tăng lên nhiều lần.

• Mạch khuếch đại thuật toán cho phép khuếch đại tín hiệu từ cảm biến lên nhiều lần với tín hiệu đầu vào đồng pha với tín hiệu đầu ra.
• Ứng với mỗi nhiệt độ của cảm biến sẽ có một điện áp lối ra của mạch khuếch đại. Do góc quay của kim vôn kế tỉ lệ với điện áp nên ứng với mỗi giá trị của nhiệt độ sẽ có một giá trị của góc quay. Khi biết được góc quay của kim vôn kế, chúng ta biết được nhiệt độ của cảm biến.

GHI NHỚ

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