TỔNG QUAN
Khái quát về điện tử
Điện tử học là lĩnh vực khoa học nghiên cứu và ứng dụng thiết bị điện, hoạt động dựa trên sự điều khiển của dòng điện tử và các hạt tích điện, như đèn điện tử và bán dẫn Nghiên cứu về thiết bị này thuộc nhánh vật lý, trong khi thiết kế và xây dựng mạch điện tử để giải quyết vấn đề thực tiễn lại là phần của kỹ thuật điện, kỹ sư điện tử và kỹ sư máy tính.
Điện tử là ngành khoa học nghiên cứu cách điều chỉnh dòng điện và điện thế qua các linh kiện điện tử, bao gồm cả bộ phận tích cực và bị động, được kết nối thành các mạch điện Những mạch điện này phục vụ cho các nhu cầu thiết yếu của con người, do đó ngành điện tử tập trung vào việc tìm hiểu linh kiện, mạch điện và các ứng dụng của chúng.
Điện tử tận dụng những thành tựu từ các lĩnh vực khác để phát triển linh kiện và mạch điện, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho các ngành khoa học và kỹ thuật khác.
Ứng dụng của điện tử chủ yếu bao gồm việc điều khiển, xử lý và phân phối thông tin, cũng như chuyển đổi và phân phối nguồn điện Cả hai ứng dụng này đều liên quan đến việc tạo ra và nhận biết trường điện từ và dòng điện Hiện nay, các thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và khoa học.
Hình 1.3 Một số linh kiện điện tử cơ bản
Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu mô hình mạch loa khuếch đại âm thanh TDA 2030 và mạch led nháy theo nhạc
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học về lập trình
- Ưng dụng các công nghệ gần gũi với cuộc sống con người để xây dựng lên các mạch điện tử
Tính tối ưu của đề tài
- Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu
- Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sở thực tế
- Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích
THIẾT BỊ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Giới thiệu một số linh kiện điện tử
Thông số kỹ thuật Điện áp cấp nguồn tối đa: +/-18V(36V)
- Dòng ra đỉnh tối đa: 3.5A
TDA2030 là một mạch tích hợp khối trong gói phiên bản của PENTAWATT, được sử dụng như một khuếch đại tần số thấp ở chế độ AB
Thiết bị này thường cung cấp công suất đầu ra 14W với điện áp vào 14V và trở kháng 4R Nó có khả năng hoạt động với điện áp +/-14V hoặc 28V, đảm bảo công suất đầu ra đạt 12W trên tải 4 Ohm và 8W trên tải 8 Ohm theo tiêu chuẩn DIN45500.
IC TDA2030 cung cấp dòng điện ra mạnh mẽ và ổn định với độ méo tín hiệu thấp Ngoài ra, chip TDA còn được trang bị các tính năng bảo vệ như chống ngắn mạch, chống quá tải và chống quá nhiệt, giúp đảm bảo các bóng bán dẫn trong mạch hoạt động an toàn.
Hình 2.2 Mạch khuếch đại âm thanh dùng TDA2030
Hình 2.3 Tản nhiệt được dùng trong mạch điện tử
Hình 2.3 Tản nhiệt nhôm 7297 40x47mm
Điốt, hay còn gọi là điốt bán dẫn, là một linh kiện điện tử quan trọng cho phép dòng điện chỉ đi qua theo một chiều nhất định, trong khi không cho phép dòng điện đi ngược lại.
Điốt bán dẫn có nhiều loại, bao gồm điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener và LED Tất cả các loại điốt này đều có cấu trúc chung, bao gồm một khối bán dẫn loại P kết hợp với một khối bán dẫn loại N, và được kết nối với hai chân là anode và cathode.
Dòng điện định mức (IF) qua diode là thông số quan trọng cần chú ý trước khi sử dụng diode trong mạch điện, vì mỗi diode chỉ cho phép một dòng điện tối đa nhất định đi qua.
14 mắc diode trong mạch điện có dòng điện lớn hơn IF của nó thì diode sẽ chết Ví dụ diode chỉnh lưu 1n4007 có IF Xem bảng ở dưới
Khi diode bị phân cực ngược, nó không cho dòng điện đi qua nhưng phải chịu một điện áp ngược giữa hai đầu Katot và Anot Ví dụ, nếu bạn kết nối một diode 1n4001 với nguồn điện một chiều 60V, đấu Anot với (-) và Katot với (+), diode sẽ bị hỏng ngay lập tức mặc dù không dẫn điện, vì điện áp ngược chịu đựng của nó chỉ là 50V Thông số điện áp ngược chịu đựng của mỗi diode được ghi trong datasheet và được ký hiệu là VRRM.
Tần số đáp ứng của diode là yếu tố quan trọng, vì mỗi diode chỉ hoạt động hiệu quả ở một tần số tín hiệu nhất định Nếu diode được sử dụng trong mạch điện cao tần mà nó chỉ chịu được tần số thấp, sẽ dẫn đến hỏng hóc cho diode.
Hình 2.5 IC AN6884 nháy theo nhạc
IC AN6884 là mạch tích hợp điều khiển 5 mức tín hiệu led, kết hợp hiệu chỉnh hệ số khuếch đại bằng biến trở đầu vào
IC AN6884 hoạt động hiệu quả trong dải điện áp từ 3.5V đến 16V, cho phép linh hoạt trong các ứng dụng khác nhau Dòng điện ra điều khiển LED khoảng 15mA, làm cho LED phát sáng khi tín hiệu đầu vào ở mức thấp.
Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo AN6884
AN6884 là một mạch tích hợp gồm 6 bộ OPAM, trong đó 1 bộ OPAM được sử dụng để khuếch đại tín hiệu vào, và 5 bộ OPAM còn lại hoạt động như mạch so sánh tín hiệu với Vref Để đáp ứng yêu cầu thiết kế mạch, giá trị Vref có thể được điều chỉnh bằng cách thêm biến trở để phân áp Vref.
IC AN6884 hoạt động rất đơn giản, yêu cầu ít linh kiện kết nối bên ngoài
IC AN6884 được ứng dụng: Làm mạch nháy theo nhạc 5 kênh mono hoặc kết hợp với mạch cube 5x5x5
Hình 2.7 Sơ đồ kết nối đơn giản AN6884
Tụ hoá, hay còn gọi là tụ điện điện phân, là một loại tụ điện có phân cực, trong đó anode (+) được chế tạo từ kim loại đặc biệt đã qua xử lý bề mặt.
17 mặt để tạo lớp oxyt cách điện Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn (non- solid) được phủ lên mặt lớp oxyt để tạo ra cathode
Do lớp oxyt cách điện cực mỏng, tụ hoá có điện dung lớn trên mỗi đơn vị thể tích, rất quan trọng trong các mạch tần số thấp và cường độ dòng điện cao Nó thường được sử dụng trong các bộ lọc cung cấp nguồn để điều tiết điện áp ra và dao động dòng điện, trong chỉnh lưu ngõ ra, và đặc biệt hữu ích khi thiếu nguồn pin sạc cho dòng điện tần số thấp.
Hình 2.9 Các loại tụ điện
Hình2.10 Cấu tạo của tụ điện
Tụ điện có anode (+) được chế tạo từ kim loại đặc biệt với bề mặt được xử lý để hình thành lớp oxyt cách điện Tiếp theo, chất điện phân rắn hoặc không rắn được phủ lên lớp oxyt để tạo ra cathode Sau đó, các thành phần này được cuộn lại, lắp chân nối và đặt bên trong lớp bọc bằng nhôm hình trụ.
Tụ điện điện phân có sự phân cực, khác với hầu hết các loại tụ điện khác, do lớp nhôm oxit được giữ cố định bởi điện trường Khi đảo cực, lớp này sẽ hòa tan vào điện giải, dẫn đến hiện tượng đoản mạch giữa điện giải và nhôm, khiến chất lỏng nóng lên và có nguy cơ nổ Lớp nhôm oxit hoạt động như một chất dielectrics, với độ mỏng và khả năng chịu điện trường lên đến 10^9 volts per metre, tạo ra dung tích cao cho tụ điện Các tụ điện hiện đại được trang bị van an toàn để thoát khí hoặc chất lỏng nóng, nhưng tiếng nổ có thể vẫn rất lớn Sự phân cực đúng cách được ghi chú trên bao bì với một đường kẻ và dấu âm, kèm theo mũi tên chỉ rõ cực âm so với cực dương.
Tụ điện phân hoạt động giống như các tụ điện khác khi bị đảo cực cho đến khi bị hủy hoại, vì vậy yêu cầu về phân cực là rất quan trọng Mặc dù tụ điện phân có thể chịu đựng trong môi trường không có sự đảo cực (điện một chiều) hoặc chỉ điện xoay chiều, nhưng việc thiết kế mạch điện cần tránh tình trạng đảo cực không đổi trong thời gian dài Một sự phân cực đúng cách sẽ giúp tăng tuổi thọ của tụ điện.
Khác với tụ điện truyền thống sử dụng chất điện môi từ nguyên liệu cách điện, tụ điện điện phân dựa vào lớp ôxit kim loại cực nhỏ để hình thành và duy trì chất điện môi Điều này giúp tăng cường điện dung lớn hơn trên mỗi đơn vị thể tích nhờ vào chất điện môi mỏng hơn.
19 điện điện phân thường dùng một hóa chất làm ướt bên trong, và chúng cuối cùng sẽ hỏng khi nước bên trong tụ điện bốc hơi
Hình2.11 Tụ điện phân cực với các kích cỡ khác nhau
Giới thiệu về phần mềm Altium desiger 15.0.7
Trên thị trường hiện nay, có nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch điện tử, bao gồm Circuit, Eagle, Altium Designer và OrCAD Các phần mềm này đều cung cấp các bộ thư viện linh kiện và chân cắm, cho phép người dùng lựa chọn linh kiện phù hợp với thiết kế của mình.
Altium hiện nay là phần mềm vẽ mạch điện tử hàng đầu và phổ biến tại Việt Nam Phần mềm này không chỉ hỗ trợ hiệu quả trong việc thiết kế mạch mà còn giúp quản lý mạch và trích xuất file thống kê linh kiện một cách dễ dàng.
Phần mềm Altium Designer là một công cụ mạnh mẽ với nhiều chức năng, nổi bật nhất là khả năng thiết kế mạch điện tử Nó được phát triển từ phần mềm Protel của hãng Altium, mang lại những tính năng tiên tiến cho người dùng trong lĩnh vực thiết kế điện tử.
Phần mềm này có giao diện thân thiện và dễ sử dụng, cho phép người dùng tạo ra sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in, mô phỏng và thiết kế hệ thống FPGA trên cùng một nền tảng.
Bộ thư viện của phần mềm altium được bổ sung khá đầy đủ của các hãng nổi tiếng như TI, ST, Mcrochip…
Trong đồ án này em sử dụng phần mềm altium designer 15.0.7 có thể nói đây là bản ổn định và em sử dụng thành thạo nhất
Altium nổi bật với khả năng chỉnh sửa các file thiết kế từ nhiều phần mềm khác như Orcad, Eagle, và Proteus Tính năng import giúp Altium trở nên mạnh mẽ và tiện dụng cho người dùng.
Việc xuất ra các file CAM, CNC, cho việc gia công theo chuẩn và thực hiện nhanh chóng
Hình 2.25 Màn hình vẽ sơ đồ nguyên lý
Altium Designer tích hợp toàn bộ quy trình phát triển hệ thống trong một môi trường duy nhất, giúp người dùng quản lý hiệu quả mọi khía cạnh của dự án Khả năng này, kết hợp với quản lý dữ liệu thiết kế hiện đại, cho phép tạo ra các sản phẩm điện tử thông minh với chi phí thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn Tuy nhiên, điều này cũng khiến Altium trở nên nặng nề, với nhiều chức năng mà người dùng không cần đến.
+ Ƣu điểm của phần mềm Altium
Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế
Hệ thống cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho thiết kế tự động và đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, đồng thời phân tích lắp ráp linh kiện hiệu quả Nó cũng giúp tìm kiếm các giải pháp thiết kế mới hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện và netlist có sẵn dựa trên các tham số cập nhật.
Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
Đặt và điều chỉnh các đối tượng trên các lớp cơ khí, xác định các quy tắc thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang PCB, và xác định vị trí linh kiện trên PCB là những bước quan trọng trong quy trình thiết kế mạch điện tử.
Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực của mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích hợp giữa MCAD và ECAD Nó cho phép liên kết trực tiếp với mô hình STEP, giúp kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả hai định dạng 2D và 3D.
Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại.
Máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị có chức năng biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều, cho phép tăng hoặc hạ điện áp để đáp ứng nhu cầu sử dụng mà không làm thay đổi tần số của dòng điện.
Hình 2.27 Máy biến áp đối xứng 12v 3A
Máy biến áp bao gồm một cuộn dây sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn dây thứ cấp, được kết nối thông qua trường điện từ Khi dòng điện với điện áp nhất định được cung cấp cho cuộn sơ cấp, nó sẽ tạo ra trường điện từ.
Theo định luật cảm ứng Faraday, trường điện từ tạo ra dòng điện cảm ứng ở cuộn thứ cấp, và để truyền tải năng lượng hiệu quả, cần bố trí mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây Vật liệu dẫn từ được lựa chọn dựa trên tần số làm việc; với tần số thấp như trong biến áp điện lực và âm tần, thường sử dụng lá vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao như thép silic và permalloy, cùng với mạch từ khép kín như các lõi ghép hình chữ E, chữ U, hoặc chữ I.
34 Ở tần số cao, vùng siêu âm và sóng radio thì dùng lõi ferrit khép kín mạch từ
2.3.1 Cấu tạo của máy biến áp
Hình 2.28 Cấu tạo của máy biến áp
Gồm hai bộ phận chính: Lõi Thép(tôn silic)+ Dây quấn ( dây đồng hoặc dây nhôm)
- Lõi thép của máy biến áp được xếp từ các lá tôn định hướng:
Dẫn từ thông chính của máy được chế tạo từ vật liệu dẫn từ chất lượng cao, thường là thép kỹ thuật điện hoặc lá tôn định hướng mỏng được ghép lại.
+ Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện, hai Mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép
Dây quấn máy biến áp, được quấn xung quanh lõi thép, thường được làm từ dây đồng hoặc dây nhôm Có hai loại dây chính là dây tròn và dây dẹt, bên ngoài được bọc một hoặc nhiều lớp giấy cách điện để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
+ Được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp
Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U1 sẽ có dòng điện sơ cấp I1
Dòng điện I1 được sinh ra từ từ thông fi biến thiên trong lõi thép, trong đó từ thông này đồng thời móc vòng qua cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp, được gọi là từ thông chính.
Theo định luật cảm ứng điện từ: e 1 = - W1 dfi/dt e 2 = - W 2 dfi/dt
W1 và W2 đại diện cho số vòng dây quấn của máy biến áp ở hai phía sơ cấp và thứ cấp Khi máy biến áp hoạt động với tải, sức điện động e1 sẽ kích thích dòng điện thứ cấp I2, từ đó cung cấp điện năng cho tải.
Từ thông fi biến thiên hình sin fi = fiMax sinWt
E , k được gọi là hệ số biến áp
Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có:
Bỏ qua mọi tổn hao trong Máy biến áp, ta có:
+ Phân loại máy biến áp
Máy biến áp (MBA) có thể phân làm nhiều loại khác nhau dựa vào:
Cấu tạo: MBA một pha và MBA ba pha
Chức năng: MBA hạ thế và MBA tăng thế
Cách thức cách điện: MBA lõi dầu, lõi không khí
Nhiệm vụ: MBA Điện lực, MBA dân dụng, MBA hàn, MBA xung
Công suất hay hiệu điện th
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi hiệu điện thế, giúp điều chỉnh điện áp từ mức trung thế 10 kV xuống mức hạ thế 220 V hoặc 400 V phục vụ cho sinh hoạt dân cư Tại các nhà máy phát điện, máy biến áp cũng chuyển đổi điện áp từ mức trung thế (10 kV đến 50 kV) lên mức cao thế (110 kV đến 500 kV hoặc cao hơn) trước khi truyền tải qua đường dây điện cao thế.
Trong truyền tải điện năng với khoảng cách xa, hiệu điện thế càng cao thì hao hụt càng ít
THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH
Thiết kế mạch trên Altium designer
Sơ đồ mạch nguyên lý:
Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
Sơ đồ mạch mô phỏng
Sơ đồ mạch in
Sơ đồ nguyên lý mạch Led nháy theo nhạc IC AN 8464
Hình3.4 Mạch nguyên lý Led
Mạch Led sau khi hoàn thành
Hình3.5 Mạch led đã hoàn chỉnh
LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH MÔ HÌNH
Tìm hiểu và mua linh kiện
4.1.1 Linh kiện cho mạch khuếch đại âm thanh TDA 2030
STT Linh kiện sử dụng Số lƣợng Giá(Vnd) Ghi chú
5 Mạch in+Bột sắt(Fecl3) 1 10.000
4.1.2 Linh kiện cho mạch Led nháy theo nhạc
STT Linh kiện sử dụng Số lƣợng Giá(VND)
9 Phím đồng+Bột sắt(FeCl3) 1 5.000
- Ghi chú: Có thể mua linh kiện ở trên số 03 đường phạm đình toái,TP Vinh.Nghệ An hoặc mua tại linhkiendientu.vn
Một số hình ảnh quá trình thực hiện đồ án
Hình 4.1 Chuẩn bị linh kiện
Hình4.4 Dùng bàn là là mạch
Hình 4.6 Mạch sau khi hoàn thành
Kết luận
Em đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo mô hình bộ khuếch đại âm thanh sử dụng IC 2030, kết hợp với hệ thống đèn LED trang trí nháy theo nhạc Qua quá trình thực hiện mô hình này, em đã mở rộng hiểu biết về các linh kiện điện tử và sử dụng phần mềm Altium để thiết kế mạch điện tử Đặc biệt, mô hình giúp em cải thiện kỹ năng thực hành trong việc hoàn thành một mạch điện tử, bao gồm khoan và hàn mạch.
4.3.1 Ưu điểm của đề tài
- Đáp ứng được yêu cầu của đề bài
- Tiết kiệm được công sức của con người
4.3.2 Nhược điểm của đề tài
- Còn hạn chế về việc thẩm mỹ khi hàn mạch
- Mạch chưa tự động nhiều mà chủ yếu thao tác tay
- Sau khi hoàn thành âm thanh chưa được chuẩn
Hướng phát triển của đề tài
Trong thời gian tới, tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu các mạch điện tử và linh kiện nhằm mở rộng mô hình và hoàn thiện quá trình lắp ráp.
Em sẽ phát triển một mô hình mạch loa thực tế nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường Mặc dù mô hình hiện tại còn hạn chế về âm thanh, em hướng tới việc phát triển một mạch khuếch đại âm thanh công suất lớn để nâng cao chất lượng âm thanh.