Báo cáo Bài Tập Lớn ELT2050E_4: Mạch Cảm Biến Ánh Sáng. Môn Linh kiện điện tử (UET) | Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

lOMoAR cPSD| 58833082
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ~~~~o0o~~~~
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG
S inh viên thực hiện: Lê Văn Hải
Mã sinh viên: 23021255
Mã học phần: ELT2050E_4
Hà Nội 2025 lOMoAR cPSD| 58833082 MỤC LỤC Contents
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI...................................................................................................2
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu.................................................................................3
GIỚI THIỆU MẠCH CẢM BIẾN...............................................................................4 I.
Các linh kiện sử dụng:.....................................................................................4 1.
Transistor: C1518:.......................................................................................4 2.
Điện trở:........................................................................................................5 3.
Cảm biến quang trở......................................................................................7 5.
Nguồn điện (PIN)..........................................................................................8 6.
Các đồ dùng để làm mạch in như là:...........................................................8
II. Mô tả sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động:.............................................8 1.
Sơ đồ mạch:...................................................................................................9 2.
Phân tích nguyên lý hoạt động:...................................................................9
III. Quy trình thực hiện.......................................................................................10
Bước 1: chuẩn bị nguyên vât liệu:......................................................................10
Bước 2: Tính toán................................................................................................10
Bước 3: Thực hiện lắp các linh kiện điện tử......................................................11
IV. Kết quả thực nghiệm:....................................................................................12 V.
Kết luận và hướng phát triển........................................................................12 1.
Kết luận:......................................................................................................12 2.
Hướng phát triển:.......................................................................................13
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong thời đại công nghệ hiện đại, cảm biến ánh sáng là một thành phần quan trọng trong
các hệ thống tự động hóa và các thiết bị thông minh. Mạch cảm biến ánh sáng là một hệ
thống điện tử giúp phát hiện và đo lường mức độ ánh sáng trong môi trường, từ đó đưa ra
các phản hồi phù hợp như bật/tắt thiết bị chiếu sáng hoặc gửi dữ liệu cho hệ thống điều khiển. 1 lOMoAR cPSD| 58833082
Với nguyên lý hoạt động dựa trên sự biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, mạch cảm biến
ánh sáng có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, từ đời sống hàng ngày đến các ngành
công nghiệp. Một số ví dụ điển hình bao gồm đèn đường tự động, hệ thống tưới tiêu trong
nông nghiệp dựa trên ánh sáng mặt trời, hoặc các thiết bị tiết kiệm năng lượng trong nhà ở thông minh.
Những mạch cảm biến ánh sáng này thường được thiết kế với sự kết hợp của cảm biến ánh
sáng (quang trở, photodiode, hoặc cảm biến kỹ thuật số), mạch xử lý tín hiệu (dùng
transistor, op-amp, hoặc vi điều khiển), và mạch đầu ra (đèn LED, relay, hoặc tín hiệu điều khiển khác).
Sự phổ biến của mạch cảm biến ánh sáng không chỉ nằm ở tính tiện lợi mà còn ở khả năng
tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh
tế. Với tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ, mạch cảm biến ánh sáng đang dần trở
thành một phần không thể thiếu trong các giải pháp tự động hóa và Internet vạn vật (IoT).
Nghiên cứu và phát triển mạch cảm biến ánh sáng không chỉ mang lại lợi ích thiết thực mà
còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng sáng tạo và hiện đại trong tương lai
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
- Các loại cảm biến ánh sáng:
Tập trung nghiên cứu các loại cảm biến ánh sáng thường gặp, bao gồm:
• Quang trở (LDR): Giá thành rẻ, dễ sử dụng, độ nhạy cao với ánh sáng môi trường.
• Photodiode: Độ chính xác cao hơn, thường dùng để phát hiện ánh sáng nhanh và chính xác.
• Phototransistor: Khả năng khuếch đại tín hiệu, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu
cường độ tín hiệu lớn hơn.
• Cảm biến ánh sáng kỹ thuật số: Tích hợp các thành phần xử lý tín hiệu, có khả
năng giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao thức I2C hoặc SPI.
- Mạch xử lý tín hiệu:
Tìm hiểu các giải pháp mạch xử lý tín hiệu, như:
• Dùng transistor để tạo mạch bật/tắt đơn giản.
• Sử dụng op-amp để khuếch đại hoặc so sánh tín hiệu từ cảm biến.
• Vi điều khiển (như Arduino, ESP32) để đọc dữ liệu và điều khiển đầu ra phức tạp.
- Mục tiêu nghiên cứu:
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến ánh sáng.
• Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến ánh sáng đơn giản, có khả năng tự động bật/tắt
đèn hoặc điều chỉnh độ sáng.
• Ứng dụng mạch cảm biến ánh sáng vào thực tế, ví dụ: đèn đường tự động, hệ thống
điều khiển rèm cửa, hoặc thiết bị tiết kiệm năng lượng. 2 lOMoAR cPSD| 58833082
GIỚI THIỆU MẠCH CẢM BIẾN I.
Các linh kiện sử dụng: 1. Transistor: C1518:
1.1Cấu tạo của Transistor C1518 (NPN)
Transistor C1518 thuộc loại transistor NPN, có cấu tạo gồm ba lớp vật liệu bán dẫn: •
Emitter (E): Đây là cực phát, nơi dòng điện chính (dòng electron) đi ra khỏi transistor. •
Base (B): Cực cơ sở, nằm giữa emitter và collector. Đây là cực điều khiển và có vai
trò điều chỉnh dòng điện giữa emitter và collector. •
Collector (C): Cực thu, nơi dòng điện chính đi vào transistor.
1.2Chức năng của Transistor C1518 •
Khuếch đại tín hiệu: Transistor C1518 có khả năng khuếch đại tín hiệu điện nhỏ ở
Base thành tín hiệu lớn hơn giữa Collector và Emitter. Điều này giúp khuếch đại
các tín hiệu âm thanh, điện áp hay dòng điện. •
Chuyển mạch: Nó cũng có thể hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép điều
khiển dòng điện từ Collector đến Emitter thông qua việc cung cấp tín hiệu nhỏ vào Base.
1.3Nguyên lí hoạt động của Transistor C1518
Transistor NPN C1518 hoạt động dựa trên nguyên lý bán dẫn. Khi điện áp giữa Base
và Emitter (V_BE) đủ lớn (thường trên 0.7V), dòng điện sẽ từ Collector đi qua Emitter.
Khi Base không có điện áp đủ lớn, transistor không dẫn điện, giống như một công tắc mở. 3 lOMoAR cPSD| 58833082 2. Điện trở:
Cách xác định giá trị điện trở
2.1 cấu tạo điện trở:
Điện trở có 2 thành phần chính: vật liệu cản trở dòng điện (carbon, kim loại, oxit
kim loại) và lớp vỏ bảo vệ. Nó có 2 chân kết nối với mạch.
2.2 Chức năng:
Cản trở dòng điện, phân áp, bảo vệ mạch, tạo nhiệt và chống nhiễu tín hiệu.
2.3 Nguyên lý hoạt động:
Điện trở hạn chế dòng điện theo định lý Ohm. Dòng điện giảm khi điện áp
không đổi và điện trở lớn.  Resistor 150
được dùng để giới hạn dòng điện qua LED
Công thức tính giá trị điện trở giới hạn dòng cho LED 4 lOMoAR cPSD| 58833082
Giả sử bạn đang sử dụng LED trắng với điện áp làm việc khoảng 3.2V và nguồn cấp Vcc = 5V.
Để tính giá trị điện trở phù hợp, bạn dùng công thức Ohm:
R =VccI−ledV led
• Vcc là điện áp nguồn (5V).
• V led là điện áp làm việc của LED (khoảng 3.2V đối với LED trắng).
• I led là dòng điện mong muốn qua LED (thường là 20mA = 0.02A đối với LED thông thường).
Tính giá trị của điện trở: R = =90
Nhưng vì giá trị chuẩn phổ biến gần nhất là 150Ω, chúng ta chọn giá trị này để giảm
dòng điện một cách an toàn. Việc chọn điện trở 150Ω sẽ giúp giới hạn dòng điện qua
LED, đảm bảo LED không bị hư hỏng. • Resistor 100k
Công thức phân áp: Rldr
V be = V nguồn∗¿ Rldr+R
Điều này giúp bạn lựa chọn giá trị R sao cho điện áp tại chân Base đạt mức cần thiết
để transistor C1518 dẫn điện khi có đủ ánh sáng. 5 lOMoAR cPSD| 58833082
Khi dẫn điện quá mức transistor rơi vào trạng thái bão hòa, nó như 1 cái công tắc đóng
Giá trị điện trở phù hợp để nối với C1518 (khi kết hợp với LDR) thường dao động
từ 10kΩ đến 100kΩ. Đây là phạm vi phù hợp để tạo ra một điện áp phân áp đủ để
transistor hoạt động trong các điều kiện ánh sáng bình thường.
Tuy nhiên, nếu bạn muốn điều chỉnh độ nhạy của mạch, bạn có thể thử với giá trị
100kΩ đến 1MΩ, tùy thuộc vào ánh sáng xung quanh và yêu cầu cụ thể của mạch.
3. Cảm biến quang trở
3.1 Cấu tạo:
Quang trở được làm từ vật liệu bán dẫn như CdS hoặc CdSe, có đặc tính thay đổi
điện trở khi có ánh sáng chiếu vào.
3.2 Nguyên lý hoạt động:
Khi ánh sáng chiếu vào, điện trở của quang trở giảm. Ngược lại, khi không có ánh
sáng, điện trở của nó tăng cao.
3.3 Chức năng:
Quang trở thường được sử dụng trong các mạch cảm biến ánh sáng, điều khiển tự
động, và trong các ứng dụng cần phát hiện hoặc điều chỉnh theo cường độ ánh sáng. 6 lOMoAR cPSD| 58833082 4. Đèn LED.
5. Nguồn điện (PIN) Sử dụng pin 9V
6. Các đồ dùng để làm mạch in như là: Phích đồng, thiếc hàn, máy hàn....
II. Mô tả sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động: 1. Sơ đồ mạch:
Hình ảnh sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng 7 lOMoAR cPSD| 58833082
2. Phân tích nguyên lý hoạt động:
2.1 Khi có ánh sáng mạnh
Khi có ánh sáng chiếu vào quang trở, điện trở LDR giảm còn vài trăm đến vài nghìn
ohm ít cản trở dòng điện nên dòng qua quang trở tăng
 Điện áp Vbe giảm ko vượt ngưỡng 0,7VTransistor không dẫn điệnLed không sáng.
2.2 Khi không có ánh sáng hoặc ánh sáng yếu
Khi không có ánh sáng hoặc ánh sáng yếu chiếu vào quang trở, điện trở LDR có thể
từ vài chục nghìn lên đến vài trăm nghìn hoặc vài triệu ohm thế nên dòng qua quang trở thấp 8 lOMoAR cPSD| 58833082
Điện áp Vbe tăng vượt ngưỡng 0,7VTransistor dẫn điện Led bắt đầu sáng.
III. Quy trình thực hiện
Bước 1: chuẩn bị nguyên vât liệu:
• Mua sắm các linh kiện như transistor c1518, trở 150 ohm, trở 100k ohm, led
trắng, pin, phíp đồng.....
• Chuẩn bị dụng cụ như thiếc hàn, máy hàn,... Bước 2: Tính toán
• Dựa vào những kiến thức trên sách vở và tài liệu tham khảo để tính toán đo
lường các giá trị điện trở và nguồn điện sử dụng
• Vẽ sơ đồ mạch để dễ dàng lắp đặt
Bước 3: Thực hiện lắp các linh kiện điện tử
• Dựa trên sơ đồ đã vẽ, lắp các linh kiện vào phíp đồng đục lỗ đã chuẩn bị
• Mắc song song trở 150 và trở 100k nối với cực (+)
• Chân còn lại trở 150 mắc nối tiếp với đèn LED
• Chân còn lại trở 100k vừa mắc với chân B của transistor vừa mắc với 1 chân của LDR
• Chân C của Transistor mắc nối tiếp chân còn lại của LED
• Chân E của Transistor mắc với chân còn lại của LDR rồi cả 2 mắc với cực (-) 9 lOMoAR cPSD| 58833082
• Sau khi mắc chính xác các linh kiện điện tử theo sơ đồ, ta dùng máy hàn cố
định lại chân và nối dẫn của các linh kiện trên phíp đồng.
IV. Kết quả thực nghiệm: 10 lOMoAR cPSD| 58833082
Hình ảnh mạch hoạt động trong môi trường ánh sáng
V. Kết luận và hướng phát triển 1. Kết luận:
- Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng LDR và điện trở cố định (như 100kΩ) giúp
điều khiển thiết bị như đèn hoặc relay tùy theo cường độ ánh sáng. Khi ánh sáng
mạnh, LDR giảm điện trở, khiến transistor không dẫn điện (chế độ cutoff). Khi
ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng, LDR có điện trở cao, làm transistor dẫn
điện và điều khiển thiết bị (chế độ bão hòa hoặc khuếch đại).
2. Hướng phát triển:
- Cải tiến độ nhạy: Sử dụng cảm biến ánh sáng chính xác hơn và điều chỉnh điện
trở để mạch hoạt động ổn định trong mọi điều kiện ánh sáng.
- Ứng dụng trong tự động hóa: Phát triển cho các hệ thống chiếu sáng thông minh,
điều khiển tự động thiết bị theo ánh sáng.
- Kết hợp với vi điều khiển: Tích hợp với Arduino, Raspberry Pi để tạo các hệ
thống cảm biến ánh sáng thông minh, điều khiển các thiết bị phức tạp.
- Tiết kiệm năng lượng: Tối ưu hóa mạch để giảm tiêu thụ năng lượng, đặc biệt
trong các ứng dụng năng lượng mặt trời hoặc di động.
- Ứng dụng trong an ninh: Sử dụng để phát hiện sự thay đổi ánh sáng trong các hệ thống an ninh tự động. 11