Từ cảm biến → điện áp so sánh → tầng kích → đèn, còi, van. Thiết kế và kiểm chứng mạch tự động an toàn.
Trình bày được sơ đồ khối cảm biến – bộ so sánh – tầng kích – thiết bị đầu ra; giải thích vì sao thay đổi điện trở cảm biến làm đổi điện áp tới op-amp; nhận biết nguyên tắc mạch đèn tự động, báo khí và điều khiển van nước bằng hồng ngoại.
Đọc, vẽ sơ đồ nguyên lí có kí hiệu và nguồn cấp rõ ràng; lựa chọn ngưỡng điều khiển; dự đoán trạng thái đầu ra; kiểm tra bằng bảng đo; đề xuất mạch sử dụng LED, còi hoặc rơ-le an toàn và đánh giá sai số/giới hạn.
Mạch gồm cảm biến biến đổi đại lượng vật lí thành tín hiệu điện, mạch chia áp/điều hòa tín hiệu, op-amp ở chế độ so sánh, tầng kích công suất có bảo vệ và thiết bị đầu ra. Điện áp so sánh nhỏ không đồng nghĩa đầu ra op-amp đủ dòng để kéo cuộn rơ-le hay cấp trực tiếp cho tải.
Điện trở LDR thường giảm khi ánh sáng tăng; nếu đặt LDR dưới nút chia áp, khi trời tối điện áp \(U_S\) tăng. Với cảm biến khí có đặc tuyến điện trở giảm khi chỉ số khí tăng, đặt cảm biến trên nút chia áp để \(U_S\) cũng tăng khi có cảnh báo. Cách mắc quyết định chiều thay đổi điện áp.
LDR mắc ở nhánh dưới: khi tối, điện trở LDR tăng nên \(U_S\) tăng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(U_S\) | Điện áp nút giữa so với GND | V |
| \(U_{CC}\) | Điện áp nguồn một chiều | V |
| \(R_S,R_F\) | Cảm biến ở dưới và điện trở cố định ở trên | Ω |
Điều kiện: Nguồn DC, tải đo có trở vào đủ lớn, điện trở tuyến tính tại trạng thái xét, các nhánh nối nối tiếp.
Khi điện trở cảm biến ở phía trên giảm, điện áp nút giữa tăng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(R_S\) | Điện trở cảm biến ở nhánh trên | Ω |
| \(R_F\) | Điện trở cố định ở nhánh dưới | Ω |
| \(U_S\) | Điện áp đưa đến bộ so sánh | V |
Điều kiện: Dùng với mẫu cảm biến có điện trở giảm khi nồng độ khí quy ước tăng; không đồng nhất mọi cảm biến khí với loại này.
Ở mô hình: đầu vào không đảo là \(U_S\), đầu vào đảo là ngưỡng \(U_0\); khi \(U_S\le U_0\) quy ước đầu ra ở mức thấp.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(U_+,U_-\) | Điện áp hai chân vào không đảo/đảo | V |
| \(U_{OH}\) | Mức điện áp đầu ra cao khả dụng | V |
| \(U_{out}\) | Tín hiệu điều khiển tới tầng kích | V |
Điều kiện: Bộ so sánh lí tưởng, đầu ra chịu giới hạn nguồn nuôi; tại đúng ngưỡng không bảo đảm trạng thái ổn định, mạch thực nên có hồi tiếp dương tạo trễ (hysteresis).
Ví dụ giả định 5 V, LED 2 V, dòng 10 mA: R=300 Ω; chọn giá trị chuẩn gần phù hợp, kiểm tra sai số và công suất.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(U_{CC}\) | Nguồn cấp của nhánh LED | V |
| \(U_{LED}\) | Sụt áp thuận LED ở dòng thiết kế | V |
| \(I_{LED}\) | Dòng qua LED theo thiết kế | A |
Điều kiện: Nguồn một chiều; cần U_CC lớn hơn sụt áp LED; phải kiểm tra công suất điện trở và giới hạn dòng của tầng kích; không nối LED trực tiếp với nguồn.
Mô hình mô phỏng còn dùng một cảm biến khí với chỉ số giả lập 0–100; không suy ra đơn vị ppm hay ngưỡng an toàn thực tế.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(R_{LDR}\) | Điện trở theo độ rọi minh họa | kΩ |
| \(R_{100}\) | Điện trở tại 100 lx (mẫu 50 kΩ) | kΩ |
| \(E\) | Độ rọi | lx |
Điều kiện: Chỉ là đặc tuyến minh họa, E>0, không thay số liệu nhà sản xuất và không dùng để hiệu chuẩn cảm biến thật.
LDR + so sánh ngưỡng + tầng kích rơ-le hoặc transistor + đèn. Trời tối, \(U_S>U_0\) nên bật đèn theo cách mắc mô tả.
Cảm biến khí chỉ phát hiện tín hiệu; mạch chuẩn cần hiệu chuẩn, phân biệt sai số và dùng thiết bị cảnh báo đạt yêu cầu. Mô hình này không dùng làm thiết bị báo cháy thực.
Đầu phát hồng ngoại được hạn dòng, đầu thu tạo tín hiệu phát hiện người; bộ xử lí điều khiển tầng kích van. Không nối cuộn van trực tiếp vào op-amp.
Hãy dự đoán trước trạng thái thiết bị, điều chỉnh thông số và đối chiếu dấu của \(U_S-U_0\). Các mô hình dưới đây là số liệu giả lập, không phải phép đo thực hoặc thiết bị bảo vệ an toàn.
| Ứng dụng | Điều kiện | Rₛ (kΩ) | Uₛ (V) | U₀ (V) | Đầu ra |
|---|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi số liệu. Bấm “+ Ghi số liệu”. | |||||
Giả thiết: nguồn 5 V, op-amp lí tưởng so sánh ngưỡng, điện trở ngõ vào vô cùng lớn; đặc tuyến LDR giả lập theo biểu thức trong phần kiến thức; cảm biến khí chỉ dùng chỉ số giả lập không phải nồng độ có đơn vị ppm. IR là mô hình tín hiệu phát hiện logic; không mô phỏng điện trở quang diode thực. Tầng kích và bảo vệ được thể hiện dạng khối, không dùng làm sơ đồ lắp điện ngoài đời.
Nhấn chọn phương án trong mỗi tình huống để xem giải thích, không phải điều khiển thiết bị thực.
Tình huống hướng tới giải thích nguyên lí và an toàn điện; chưa mô phỏng độ tin cậy, tiêu chuẩn phòng cháy hay độ trễ cơ khí.
An toàn: không kết nối điện lưới 220 V vào mạch học sinh; rơ-le/còi/cuộn van chỉ qua tầng kích đúng định mức và phần tử bảo vệ phù hợp. Cảm biến khí trong bài không được dùng thay thế đầu báo khí cháy chuyên dụng.
Bấm vào sơ đồ để phóng to; mỗi nhánh liên kết với một nhiệm vụ thiết kế.
Ngưỡng trễ, lọc nhiễu, nguồn ổn định, giới hạn dòng, cách ly tải, kiểm tra datasheet và môi trường lắp đặt ảnh hưởng độ tin cậy. Phần mềm minh họa chỉ diễn tả nguyên lí, không kiểm chứng tất cả thông số linh kiện.
Đối chiếu: Chuyên đề học tập Vật lí 11 – Kết nối tri thức, Bài 9, tr. 54–58; kiến thức thiết kế mạch chia áp và bộ so sánh lí tưởng.