Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiếp tục khám phá op-amps nhưng lần này là trong bối cảnh của một ứng dụng cụ thể: cảm biến nhiệt độ. Một cảm biến nhiệt độ sẽ sử dụng một thiết bị gọi là nhiệt điện trở với “nguồn dòng” op-amp đơn giản; cái còn lại sẽ sử dụng một cặp diode và cấu hình bộ khuếch đại vi sai. Bạn cũng sẽ học cách vận hành máy hiện sóng ở chế độ X-Y, chế độ này rất hữu ích để mô tả các đặc tính của nhiều thiết bị và mạch điện tử.
Các linh kiện sử dụng trong mạch
Nhiệt điện trở
Tất cả các dây dẫn kim loại đều có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Điều này không phải lúc nào cũng được mong muốn nhưng có thể được khai thác cho các ứng dụng cảm biến nhiệt độ. Trong một phạm vi nhiệt độ nhỏ, điện trở của hầu hết các dây dẫn tuân theo mối quan hệ gần như tuyến tính.
trong đó R0 là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu T0, thường được lấy là 25oC hoặc T0 = 298,15K. Tham số αTCR định lượng sự thay đổi một phần của điện trở theo mức độ thay đổi của nhiệt độ và được gọi là “hệ số điện trở nhiệt độ”, hay TCR. Đối với dây dẫn kim loại thông thường hệ số nhiệt độ luôn dương. Ví dụ: đồng có αTCR ≈ +4,04 x 10-3/K. Bạch kim cũng có TCR tương tự nhưng là lựa chọn tốt hơn cho các máy dò nhiệt độ điện trở đơn giản (RTD), đặc biệt ở nhiệt độ cao (ví dụ trên 600°C) vì đây là kim loại chịu lửa, không dễ bị oxy hóa và điện trở của nó tuân theo (5.1) khá tốt. một phạm vi nhiệt độ rộng.
Điện trở nhiệt có độ nhạy cao hơn nhiều với nhiệt độ hơn RTD bạch kim, nhưng sự phụ thuộc rất phi tuyến tính và bị giới hạn ở phạm vi nhiệt độ hoạt động nhỏ hơn, thường là từ -20°C đến +120°C. Điện trở nhiệt thường được làm từ vật liệu bán dẫn gốm và có hai loại: hệ số nhiệt độ dương (PTC) và hệ số nhiệt độ âm (NTC). Một mô hình đơn giản về sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở nhiệt điện trở đối với các thiết bị NTC được đưa ra bởi.
trong đó R0 lại là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu T0 . Trong thí nghiệm này, chúng tôi sẽ sử dụng loại nhiệt điện trở NTC. Bảng dữ liệu cung cấp các giá trị thích hợp cho R0 và β. Hình 5.1 minh họa sự phụ thuộc điện trở-nhiệt độ được dự đoán bởi (5.2) đối với một thiết bị tương tự như thiết bị chúng ta sẽ sử dụng trong phòng thí nghiệm.
Điốt làm cảm biến nhiệt độ
Hình 5-2 minh họa mối quan hệ dòng điện-điện áp của một diode silicon đơn giản. Điều này cũng tương tự với các thiết bị chúng tôi sử dụng trong các phòng thí nghiệm trước đây. Trong dẫn truyền thuận, điốt được mô hình hóa tốt bởi
trong đó q = 1.6 x 10 -19, k = 1.38 x 10-23 J/K, I0 là dòng điện bão hòa và n là hệ số “lý tưởng” không thứ nguyên. Thông thường các phép đo được yêu cầu để xác định hệ số lý tưởng và dòng bão hòa. Đối với hai thiết bị giống hệt nhau ở cùng nhiệt độ nhưng phân cực ở các mức dòng điện khác nhau, tỷ số dòng điện được cho bởi
Vì vậy, sự khác biệt về điện áp giữa hai điốt sẽ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ. Giả định chính trong (5.4) là các điốt có dòng bão hòa và hệ số lý tưởng giống hệt nhau và cả hai đều ở cùng nhiệt độ. Cách tốt duy nhất để thỏa mãn những điều kiện này là sử dụng hai điốt được chế tạo cạnh nhau trên cùng một con chip, sử dụng vật liệu và quy trình chế tạo giống hệt nhau. Thiết bị chúng tôi sẽ sử dụng trong phòng thí nghiệm tích hợp hai thiết bị giống hệt nhau theo kiểu này.
Chúng ta sẽ thảo luận sâu hơn về điốt trong bài viết khác. Hiện tại, tất cả những gì bạn phải làm là chấp nhận rằng đường I-V được mô hình hóa bằng mối quan hệ hàm mũ như (5.3). Điều quan trọng cần rút ra ở đây là đặc tính của diode phụ thuộc vào nhiệt độ và bất cứ khi nào điều đó xảy ra, chúng ta có thể cố gắng khai thác thiết bị đó làm cảm biến nhiệt độ. Trong các khóa học nâng cao hơn, bạn sẽ tìm hiểu cách thiết kế các mạch để giải quyết các hiệu ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và tiếp tục hoạt động bình thường trong nhiều phạm vi nhiệt độ. Một mạch cụ thể, thường được gọi là “điện áp tham chiếu vùng cấm”, là một ví dụ thông minh về cách các mạch có thể được thiết kế để loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng nhiệt độ. Tham chiếu điện áp ổn định rất quan trọng trong nhiều ứng dụng như thu thập dữ liệu và dụng cụ thử nghiệm
Chuẩn bị trước thí nghiệm
Thiết bị cần thiết
- Máy móc: Bộ nguồn để bàn, Bộ tạo hàm, Máy hiện sóng, Hộp thập phân.
- Breadboard và bộ dây jump
Danh sách linh kiện
| Linh kiện | Số lượng |
| MSD6100G Diode chuyển mạch kép, cực âm chung TO-92 | 1 |
| Điện trở nhiệt NTC – 50K Ohms @25C, -4,7/C | 1 |
| 20 Ohm 5W, Điện trở xi măng | 1 |
| Kẹp giấy | 1 |
| Điện trở 100-Ohm 1/4 watt | 1 |
| Điện trở 1,2 k-Ohm 1/4 watt | 1 |
| Điện trở 1,2 k-Ohm 1/4 watt | 1 |
| Điện trở 100 k-Ohm 1/4 watt | 4 |
Quy trình trong phòng thí nghiệm
Nguồn dòng Op-Amp; Điện trở nhiệt
Bước đầu tiên: Xu hướng DC
Phòng thí nghiệm lại sử dụng op-amps, vì vậy hãy nhớ lời khuyên của chúng tôi: hãy luôn coi việc thiết lập mạch thiên vị là bước đầu tiên của bạn. Lần này chúng ta sẽ sử dụng độ lệch ±12V:
- Lắp op-amp vào bảng mạch của bạn rồi thêm dây và tụ điện bypass như trong Hình 5-3. Để tránh các vấn đề sau này, bạn có thể muốn gắn một nhãn nhỏ vào breadboard để cho biết đường ray nào tương ứng với +Vs, -Vs và nối đất.
- Tiếp theo, đặt nguồn điện để tạo ra ±12V và gắn các kết nối nguồn và COM vào các đầu cuối trên bảng mạch của bạn. Việc sử dụng dây nhảy để cấp nguồn cho đường ray như hình. Hãy nhớ rằng, thiết bị đầu cuối COM cấp nguồn sẽ là điểm tham chiếu “nối đất” cho mạch của chúng ta. Khi bạn đã có các kết nối thiên vị, hãy theo dõi dòng điện đầu ra trên nguồn điện để đảm bảo rằng không có bất kỳ sự cố đoản mạch vô ý nào. Bạn có thể muốn sử dụng DMM để thăm dò trực tiếp các chân IC để đảm bảo rằng chân 7 ở mức +12V và chân 4 ở mức -12V.
Mạch điện trở nhiệt đơn giản
Như đã mô tả trong phần cơ bản, điện trở nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo cách có thể dự đoán được. Mục tiêu của chúng tôi là thiết kế một mạch sử dụng nhiệt điện trở để tạo ra điện áp tỷ lệ với nhiệt độ. Một cách để làm điều này là điều khiển nhiệt điện trở với dòng điện không đổi đã biết và điều chỉnh cường độ của dòng điện này sao cho điện áp thay đổi theo nhiệt độ quy định. Hình 5-4 minh họa một cách thực hiện việc này. Dòng điện I được đặt bởi điện trở R1 và điện áp -Vs, được lấy thuận tiện nhất là điện áp nguồn âm, -12V. Trong trường hợp này, điện áp đầu ra ở mỗi nhiệt độ sẽ là
Mạch này giống như một bộ khuếch đại đảo ngược, nhưng khi sử dụng theo kiểu này thì về cơ bản nó là một nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp, vì dòng điện qua “tải” (nhiệt điện trở) là một hằng số, không phụ thuộc vào giá trị của RT và được đặt bởi điện áp đầu vào -Vs.
Bước tiếp theo là chọn phạm vi điện áp đầu ra. Trong ứng dụng thực tế, điện áp đầu ra của cảm biến thường được đưa vào bảng đồng hồ kỹ thuật số hoặc hệ thống thu thập dữ liệu khác, trong trường hợp đó có thể có một số hạn chế về điện áp cho phép. Nhưng trong phòng thí nghiệm này, chúng ta có thể chọn dải điện áp tùy thích. Chúng tôi sẽ hài lòng khi chỉ cần theo dõi điện áp bằng DMM của mình và thực hiện chuyển đổi toán học giữa điện áp và nhiệt độ bằng tay.
Hãy thiết kế mạch tạo ra Vout = 1V khi nhiệt điện trở ở nhiệt độ phòng ( T ≈ 25°C). Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt điện trở được quy định là có điện trở danh nghĩa R0 ở nhiệt độ này; bạn có thể tra cứu thông số này trong bảng dữ liệu hoặc chỉ cần đo thủ công bằng ôm kế:
- Tìm hoặc đo điện trở nhiệt độ phòng của điện trở nhiệt của bạn và khi nguồn điện bị ngắt hoặc tắt, hãy xây dựng mạch điện như trong Hình 5-4. Sử dụng hộp thập phân dành cho R1.
- Sử dụng (5.5), tính giá trị gần đúng của R1 cần thiết để tạo ra Vout = 1V ở nhiệt độ phòng và đặt hộp thập phân của bạn thành giá trị này.
- Bật nguồn và tinh chỉnh giá trị R1 để tạo ra Vout = 1V.
- Bây giờ kẹp nhiệt điện trở giữa ngón tay cái và ngón trỏ của bạn và đợi cho đến khi điện áp đầu ra đạt giá trị ổn định. Ghi lại con số này. Từ (5.5), bạn có thể ước tính điện trở nhiệt điện trở và từ đó ước tính nhiệt độ của nó. Bạn có thể sử dụng đồ thị giống như Hình 5-1 hoặc đồ thị trong biểu dữ liệu để tính nhiệt độ hoặc tính toán từ (5.2) có thể đảo ngược để đưa ra
Giá trị của β phải được đưa ra trong bảng dữ liệu.
Thử nghiệm với điện trở công suất
Tiếp theo chúng ta sẽ tạo ra một nguồn nhiệt rất đơn giản bằng cách sử dụng điện trở nguồn. Những điện trở như vậy được thiết kế để tiêu tán nhiều năng lượng hơn so với các điện trở ¼ watt thông thường mà chúng ta thường sử dụng, nhưng cũng như với tất cả các điện trở, năng lượng đó bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Nhiều máy sưởi thương mại hoạt động theo nguyên lý tương tự: máy nước nóng, máy sưởi không gian cho phòng nhỏ, lò nướng bánh mì, v.v. đều sử dụng dây tóc điện trở (thường là hợp kim niken-crom) làm nguồn nhiệt. Vì vậy, ý tưởng ở đây là sử dụng điện trở nguồn để tạo ra nguồn nhiệt có thể lập trình và đặt nhiệt điện trở tiếp xúc với nó để chúng ta có thể cảm nhận được điện trở nóng đến mức nào. Điện trở nguồn mà chúng ta đã chọn có dạng hình chữ nhật lớn, cho chúng ta một bề mặt đẹp, phẳng, “nóng”:
- Xây dựng mạch như trong Hình 5-5, với điện trở nguồn và điện trở nhiệt được kẹp với nhau bằng kẹp ràng buộc lớn đi kèm trong bộ sản phẩm của bạn. Sử dụng đầu ra có thể điều chỉnh độc lập còn lại trên nguồn điện của bạn cho V1. Sử dụng dây nhảy nếu cần cho các kết nối điện, nhưng chú ý không để dây dẫn nhiệt điện trở chạm vào dây dẫn điện trở. Những linh kiện đó phải được kết nối nhiệt, nhưng không được kết nối điện.
- Điện trở nguồn 20Ω được định mức cho công suất tiêu tán tối đa là 5W. Giá trị nào của điện áp cung cấp sẽ dẫn đến mức tiêu tán chính xác là 5W? Tăng nguồn V1 đến điện áp bạn vừa tính và theo dõi ampe kế trên nguồn điện để xác minh rằng dòng điện rút ra là khoảng 0,5A.
- Để khoảng 3 phút cho nhiệt độ ổn định rồi ghi lại điện áp ra Vout. Do dòng nhiệt từ điện trở nguồn đến môi trường xung quanh không được quản lý tốt nên nhiệt độ của nó có thể không hoàn toàn ổn định; nếu vậy, chỉ cần ghi lại kết quả vào sổ ghi chép trong phòng thí nghiệm của bạn và ghi lại giá trị trung bình ở mốc 3 phút. Một lần nữa sử dụng biểu đồ hoặc (5.6) để ước tính nhiệt độ của điện trở nguồn.
- Biến V1 trở lại 0V và để điện trở nguồn nguội. Theo dõi Vout để xem khi nào nó trở về 25°C (Vout = 1,00V). Quạt hoặc thiết bị thổi có thể tăng tốc độ này.
Oscilloscope Chế độ X-Y
Cho đến nay chúng ta đã sử dụng máy hiện sóng ở chế độ cơ sở thời gian hoặc chế độ “Y-T” để hiển thị các tín hiệu đầu vào dưới dạng hàm của thời gian. Nhưng hầu hết các máy hiện sóng cũng có thể được cấu hình để hiển thị một tín hiệu như một chức năng của tín hiệu khác. Đây được gọi là chế độ X-Y và rất hữu ích cho việc nghiên cứu các đặc tính dòng điện-điện áp (I-V) của thiết bị cũng như mối quan hệ pha của tín hiệu hình sin. Chúng ta sẽ sử dụng chế độ này để hiển thị đặc tính điện áp hiện tại của nhiệt điện trở.
- Tín hiệu đầu vào mong muốn là sóng tam giác ở tần số 1 kHz, có biên độ 10V (điện áp từ đỉnh đến đỉnh là 20V). Để xác minh và/hoặc thay đổi chế độ hiển thị của ống soi, nhấn nút “DISPLAY”, sau đó xem trường “FORMAT”. Hai khả năng là YT (cơ sở thời gian) hoặc XY. Hiện tại chúng tôi muốn YT.
- Ngắt kết nối R1 khỏi nguồn -12V và kết nối lại với đầu ra của bộ tạo hàm, như được chỉ ra trong Hình 5-6. Giám sát Vin bằng cách sử dụng kênh 2 của phạm vi và giám sát Vout đầu ra op-amp với kênh 1. Hiện tại, rõ ràng là Ch1 sẽ biểu thị điện áp trên điện trở nhiệt. Hãy nhớ rằng đây là cấu hình bộ khuếch đại đảo ngược nên mối quan hệ giữa dòng điện trở và điện áp đầu vào là I = -Vin /R1. Để có được phép đo dòng nhiệt điện trở không đảo ngược, chúng ta không thể đơn giản đảo ngược các dây dẫn kẹp màu đen và đỏ từ kênh 2 của máy hiện sóng, vì dây dẫn màu đen được nối với đất bên trong máy hiện sóng. Tuy nhiên, chúng ta có thể đảo ngược tín hiệu đo được bằng chức năng đảo ngược của máy hiện sóng. Trên màn hình menu Ch2, nhấn nút “invert” để nhận được “Đảo ngược”. Hai dấu vết Ch1 và Ch2 bây giờ sẽ cùng pha.
- Để thuận tiện cho việc đọc dòng điện trở, hãy thay đổi điện trở thập phân thành 100kΩ. Điều này sẽ làm cho điện áp Kênh 2 chính xác gấp 100.000 lần dòng điện trở nhiệt.
- Xác minh rằng cả hai dấu vết đều là sóng tam giác sạch có biên độ hợp lý. Điều chỉnh hai dấu vết trên phạm vi sao cho cả hai đều được căn giữa theo chiều dọc, tức là mức 0 của chúng đều chính xác trên đường lưới ngang ở giữa. Bây giờ chuyển sang chế độ XY, sử dụng menu DISPLAY. Ở chế độ này, bạn vẫn có thể điều chỉnh độ nhạy Volts/Div của từng kênh. Bạn cũng có thể điều chỉnh độ lệch, nhưng hãy cẩn thận nếu làm như vậy, vì điều đó sẽ di chuyển vị trí (0,0) ra khỏi tâm màn hình. Kênh 1 là biến ngang (X) và Kênh 2 là biến dọc (Y).
- Phác thảo dấu vết từ phạm vi trong sổ ghi chép của bạn. Đối với thang đo dọc, hãy chỉ ra cả volts/div thực tế cho kênh 2 và dòng điện tương ứng trong nhiệt điện trở (V/100k)
- Một điện trở có đặc tính I-V tuyến tính có độ dốc bằng (1/R). Bạn tính toán điện trở nào từ màn hình của bạn cho nhiệt điện trở?
- Tăng điện áp V1 lên 10V và quan sát độ dốc của đường XY thay đổi khi điện trở nguồn nóng lên. Giá trị điện trở nào bạn tính được sau khi nhiệt độ ổn định? Biến V1 về 0 khi bạn hoàn thành
Các phép đo vi phân; Cảm biến điốt
Phương pháp đo nhiệt độ thứ hai sẽ tận dụng sự thay đổi nhiệt độ vốn có của điện áp chuyển tiếp của điốt silicon, như được mô tả trong phần cơ bản. Điều này sẽ minh họa việc sử dụng một mạch khuếch đại vi sai op-amp đơn. Thiết bị cặp điốt được chọn cho phòng thí nghiệm này là MSD6100 được hiển thị trong Hình 5-7. Hai thiết bị này được chế tạo trên cùng một con chip và do đó rất phù hợp về đặc điểm I-V của chúng.
- Để nguyên các kết nối nguồn điện ±12V tới op amp và xác minh rằng V1 vẫn được đặt thành 0, hãy sửa đổi mạch theo Hình 5-8. Ghép MSD6100 với điện trở nguồn như minh họa, tương tự như phương pháp chúng tôi đã sử dụng với điện trở nhiệt. Lưu ý rằng hai điện trở nối điốt với nguồn +12V khác nhau hệ số 10. Điều này sẽ làm cho dòng điện trong hai điốt khác nhau gần như cùng một hệ số. Đo hai điện trở bằng ôm kế trước khi lắp chúng vào mạch.
- Bật nguồn và đảm bảo V1 được đặt thành 0V. Ghi lại điện áp rơi trên các điện trở phân cực diode (điện trở 1,2k và 12k). Từ thông tin này và điện trở đo được thực tế, hãy xác định dòng điện chạy trong mỗi diode.
- Bây giờ hãy đo Vout bằng DMM. Mạch op-amp là một bộ khuếch đại vi sai đơn giản có mức khuếch đại vi sai danh nghĩa là 1, do đó điện áp đầu ra phải xấp xỉ bằng chênh lệch điện áp rơi trên hai điốt. Bạn nên sử dụng DMM của mình để xác nhận điều này bằng cách ghi lại trực tiếp sự sụt giảm điện áp của diode. Tuy nhiên, mạch op-amp không hoàn hảo do dung sai của các giá trị điện trở và điện áp bù bên trong của op-amp.
- Bây giờ hãy tăng V1 lên 10V. Một lần nữa cho phép 3 phút để nhiệt độ ổn định. Vout là gì? Sử dụng thông tin ở phần cơ bản để tính nhiệt độ của điốt và điện trở nguồn. Đối với MSD6100, thông tin trong biểu dữ liệu phù hợp với hệ số lý tưởng là η ≈ 1,75.
Mạch cảm biến nhiệt sử dụng op-amp cơ bản
Đây là mạch cơ bản nhất, từ đây có thể xây dựng thêm nhiều mạch cảm biến khác. Ví dụ như sử dụng cho mạch giao tiếp, mạch hiển thị nhiệt độ, mạch chuyển trạng thái…
Nguyên lý cơ bản
IC LM358 được cấp nguồn bằng điện áp 5V.
Một đường 5V cũng đi vào cầu phân áp R3, R4 và xác lập điện áp tại chân in+ của LM358 là 2.04V.
Sử dụng công thức tính điện áp phân áp ở bài viết này: https://diencobacninh.com/2022/10/14/mach-phan-ap-bo-chia-dien-ap/ để thay đổi điện trở R3 R4 theo ý muốn.
Cảm biến nhiệt 50k ở nhiệt độ 30 độ sẽ chỉ khoảng 35k tức là điện áp tại chân 2 khoảng 2.03V
so sánh điện áp in- < in+ nên đầu ra đèn sẽ sáng.
Khi nhiệt độ tăng lên đồng nghĩa với cảm biến nhiệt giảm trị số nên in- > in+ và đèn sẽ tắt.
