Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung và ngành kỹ thuật điện tử nói riêng đã thúc đẩy việc chế tạo các thiết bị điều khiển tự động có độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn và hoạt động ổn định nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống con người. Trong các hệ thống mạch điện tử cơ bản, transistor đóng vai trò là một linh kiện nền tảng, thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu một chiều, xoay chiều hoặc đóng vai trò như một khóa điện tử (van cách ly và điều khiển dòng điện, điện áp). Trong đó, dòng transistor lưỡng cực C1815 được ứng dụng rộng rãi nhờ tính phổ dụng và hiệu quả đóng ngắt mạch điện.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong sinh hoạt gia đình, công việc phơi và thu gom quần áo thường gặp khó khăn khi thời tiết thay đổi đột ngột, đặc biệt là vào những thời điểm trời mưa bất chợt khi người sử dụng vắng nhà. Việc nghiên cứu, thiết kế một hệ thống tự động nhận biết trời mưa để thu gom quần áo là một giải pháp kỹ thuật hữu ích, giúp tự động hóa công việc gia đình hàng ngày. Đề tài "Tìm hiểu về Transistor C1815 và ứng dụng chế tạo hệ thống thu quần áo khi trời mưa" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán ứng dụng linh kiện điện tử vào đời sống thực tiễn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của transistor C1815 cùng các linh kiện điện tử thông dụng khác.
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và lắp ráp chế tạo hoàn thiện mô hình thực tế của hệ thống tự động thu quần áo khi trời mưa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các linh kiện điện tử thụ động, linh kiện bán dẫn và trọng tâm là transistor BJT C1815.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết về transistor C1815, thiết kế mô phỏng mạch cảm biến nước mưa trên phần mềm máy tính và thực hành lắp ráp mô hình cơ - điện thu quần áo tự động quy mô thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết vật lý chất bán dẫn và kỹ thuật mạch điện tử cơ bản:

  • Khung lý thuyết vật lý bán dẫn: Cấu trúc vùng năng lượng, cơ chế pha tạp chất bán dẫn loại N (sử dụng tạp chất hóa trị 5 như Sb, Pb tạo hạt dẫn đa số là electron) và bán dẫn loại P (sử dụng tạp chất hóa trị 3 như Indium tạo hạt dẫn đa số là lỗ trống); cơ chế tạo lớp tiếp xúc P-N, điện trường tiếp xúc và vùng nghèo.
  • Khung lý thuyết mạch điện tử: Nguyên lý phân cực, đặc tuyến V-A và ba chế độ làm việc của transistor lưỡng cực BJT (khóa, bão hòa, khuếch đại); nguyên lý hoạt động của các linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến áp) và linh kiện bán dẫn phụ trợ (diode 1N4007, LED đơn, rơ-le điện cơ).
  • Công cụ phần mềm: Sử dụng bộ công cụ Proteus VSM (bao gồm module ISIS Schematic Capture để vẽ sơ đồ nguyên lý/mô phỏng mạch tương tác theo chuẩn SPICE3F5 và module ARES để thiết kế mạch in PCB hỗ trợ lên đến 16 lớp với độ chính xác 10nm).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu, thu thập và hệ thống hóa kiến thức từ giáo trình, sách chuyên ngành và tài liệu kỹ thuật về các linh kiện điện tử và transistor C1815.
  • Phương pháp mô phỏng máy tính: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và kiểm tra đáp ứng của mạch cảm biến nước mưa trong các điều kiện môi trường giả định bằng phần mềm Proteus.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Lựa chọn linh kiện thực tế, gia công bản mạch cảm biến, lắp ráp bảng mạch điều khiển và tích hợp hệ thống truyền động cơ khí (mô tơ, dây kéo) để đánh giá hoạt động của mô hình thực tế.

Nguồn dữ liệu của khóa luận bao gồm tài liệu tra cứu thông số linh kiện (datasheet C1815), các tài liệu giáo trình điện tử cơ bản, cùng kết quả đo đạc và quan sát trực tiếp từ mô hình phần cứng thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về linh kiện điện tử thụ động và tích cực, cung cấp công thức tính toán, quy ước đọc trị số và phương pháp kiểm tra linh kiện:

  1. Linh kiện điện tử thụ động:
  • Điện trở: Khái niệm cản trở dòng điện, công thức điện trở dây dẫn $R = \rho \frac{L}{S}$. Trình bày quy tắc đọc giá trị theo bảng mã màu quốc tế cho loại 4 vòng màu và 5 vòng màu, cách đọc mã điện trở dán SMD (ví dụ mã 473 tương đương $47 \times 10^3 = 47\text{ k}\Omega$). Phân tích công thức công suất tiêu thụ $P = UI = I^2R = \frac{U^2}{R}$ và nguyên tắc chọn điện trở có công suất danh định lớn hơn hoặc bằng 2 lần công suất tiêu thụ thực tế để tránh cháy hỏng. Giới thiệu biến trở và điện trở thanh.
  • Tụ điện: Đại lượng điện dung $C = \xi \frac{S}{d}$, các đơn vị quy đổi ($\text{F}, \text{mF}, \mu\text{F}, \text{nF}, \text{pF}$). Phân loại tụ không phân cực (tụ gốm, tụ giấy, tụ mica có điện dung nhỏ dưới $0{,}47,\mu\text{F}$) và tụ phân cực (tụ hóa có hình trụ, điện dung từ $0{,}47,\mu\text{F}$ đến $4.700,\mu\text{F}$). Nguyên tắc chọn điện áp cực đại của tụ điện cao gấp khoảng 1,4 lần điện áp làm việc của mạch. Phương pháp đo kiểm tra tính nạp/phóng, hiện tượng rò, chập hoặc khô hóa chất bằng đồng hồ vạn năng kim.
  • Cuộn cảm và máy biến áp: Công thức hệ số tự cảm $L$, công thức cảm kháng $Z_L = 2\pi fL$, năng lượng từ trường tích lũy $W = \frac{1}{2}LI^2$. Cấu tạo loa và nguyên lý biến áp với các hệ thức $\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$ và $\frac{U_1}{U_2} = \frac{I_2}{I_1}$; phân loại biến áp nguồn lõi lá Tônsilic (tần số 50Hz), biến áp âm tần (1kHz – 3kHz) và biến áp xung lõi ferit (tần số vài chục kHz).
Linh kiện Ký hiệu Đơn vị chính Công thức đặc trưng Ứng dụng chính trong mạch
Điện trở R Ohm ($\Omega$) $R = \rho \frac{L}{S}$, $P = I^2R$ Hạn dòng, chia áp, định thiên
Tụ điện C Farad (F) $C = \xi \frac{S}{d}$, $W = \frac{1}{2}CU^2$ Lọc nguồn, lọc nhiễu, ghép tầng, tạo dao động
Cuộn cảm L Henry (H) $Z_L = 2\pi fL$, $W = \frac{1}{2}LI^2$ Chặn xung cao tần, nạp/xả năng lượng từ
Biến áp T / TR Tỷ số biến áp $\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} = \frac{I_2}{I_1}$ Biến đổi điện áp, phối hợp trở kháng
  1. Bán dẫn và các linh kiện điện tử thông dụng khác:
  • Lý thuyết bán dẫn: Phân tích cơ chế chuyển động của hạt dẫn đa số và thiểu số trong bán dẫn loại N, bán dẫn loại P và hiện tượng hình thành vùng nghèo ở mặt tiếp xúc P-N khi phân cực thuận và phân cực ngược.
  • Đèn LED đơn: Bản chất là diode phát quang sử dụng chất bán dẫn đặc biệt (như GaAs). Điện áp phân cực thuận định mức: LED đỏ ($1{,}4\text{V} - 1{,}8\text{V}$), LED vàng ($2\text{V} - 2{,}5\text{V}$), LED xanh lá ($2\text{V} - 2{,}8\text{V}$); dòng điện hoạt động từ $5\text{mA} - 20\text{mA}$ (thường chọn $10\text{mA}$).
  • Diode chỉnh lưu 1N4007: Cấu tạo tiếp giáp P-N biến đổi dòng điện xoay chiều sang một chiều.
  • Rơ-le (Relay): Thiết bị đóng cắt điện cơ gồm 4 bộ phận chính (nam châm điện, lõi sắt, lò xo, các tiếp điểm), hoạt động theo nguyên lý dùng tín hiệu năng lượng nhỏ để đóng ngắt tải có năng lượng lớn hơn.

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ TRANSISTOR, TÌM HIỂU VỀ TRANSISTOR C1815 VÀ CÁC DẠNG MẠCH ỨNG DỤNG CỦA NÓ

Chương 2 đi sâu vào cấu trúc và nguyên lý của transistor tiếp mặt lưỡng cực (BJT), khảo sát chi tiết transistor C1815 và phân tích các ứng dụng điển hình:

  1. Khái quát về Transistor lưỡng cực (BJT):
  • Cấu tạo gồm 3 miền bán dẫn tạo bởi 2 tiếp giáp P-N: Miền phát (Emitter - E, pha tạp nhiều nhất), Miền gốc (Base - B, pha tạp rất ít và có bề dày mỏng vài micromet), Miền thu (Collector - C, pha tạp trung bình). Phân loại thành hai loại chính: NPN (transistor ngược) và PNP (transistor thuận).
  • Nguyên tắc hoạt động: Phân tích sự dịch chuyển của hạt dẫn qua các tiếp xúc P-N dưới tác động của nguồn điện áp ngoài. Quan hệ dòng điện thỏa mãn phương trình: $$I_E = I_B + I_C$$ Do $I_B \ll I_C$ (dòng $I_B$ cỡ nA hoặc $\mu\text{A}$, dòng $I_C$ cỡ mA), dòng $I_B$ có vai trò điều khiển dòng $I_C$.
  • Ba chế độ làm việc: Chế độ khóa ($I_B = 0, I_C = 0$), Chế độ dẫn bão hòa ($U_{BE} \ge 0{,}6\text{V}$ đối với Si, transistor mở hoàn toàn), và Chế độ khuếch đại ($I_C = \beta I_B$, tín hiệu ra tại cực C ngược pha với tín hiệu vào tại cực B khi mắc kiểu phát chung).
  • Các hệ đặc tuyến: Khảo sát đặc tuyến ngõ vào ($I_B - V_{BE}$), đặc tuyến ngõ ra ($I_C - V_{CE}$) và đặc tuyến truyền đạt ($I_C - V_{BE}$).
  • Ba cách mắc cơ bản: Mắc Emitter chung (EC), Bazơ chung (BC), và Collector chung (CC).
  1. Đặc tính kỹ thuật của Transistor C1815:
  • C1815 là loại transistor BJT cấu trúc NPN ($n^+ - p - n$), đóng vỏ plastic với 3 chân E, C, B.
  • Các thông số giới hạn của C1815:
    • Dòng điện cực gốc tối đa: $I_{B\max} = 10\text{ mA}$.
    • Dòng điện cực thu tối đa: $I_{C\max} = 100\text{ mA}$.
    • Điện áp đánh thủng: $V_{CEO}, V_{CBO}, V_{EBO}$.
    • Công suất tổn hao nhiệt: $P_C = U_{CE} \cdot I_C$.
  1. Các dạng mạch ứng dụng dùng Transistor C1815:
  • Mạch chống trộm bằng tia laser: Sử dụng nguồn phát laser chiếu vào quang trở. Khi tia laser bị che khuất, quang trở tăng giá trị làm giảm áp chân B của Q1, làm Q1 ngắt, kích hoạt Q2 và Q3 dẫn thông, kích chân G của Thyristor U1 đóng điện cho rơ-le phát còi hú.
  • Mạch hẹn giờ bật tắt đơn giản: Sử dụng quá trình nạp/xả của tụ điện C1 kết hợp biến trở để duy trì điện áp kích mở hai tầng transistor Q1, Q2 đóng rơ-le điều khiển bóng đèn.
  • Mạch dao động đa hài: Sử dụng 2 transistor C1815, 2 tụ điện và các điện trở định thiên để tạo trạng thái đóng ngắt luân phiên, điều khiển 2 đèn LED D1 và D2 chớp tắt tuần hoàn.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH CẢM BIẾN NƯỚC MƯA BẰNG PHẦN MỀM VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, mô phỏng và thi công mô hình phần cứng hệ thống thu quần áo khi trời mưa:

  • Ứng dụng phần mềm Proteus: Phân tích vai trò của module ISIS (mô phỏng mạch tương tác) và ARES (thiết kế bo mạch PCB).
  • Thiết kế sơ đồ 4 khối chức năng: Khối nguồn, Khối cảm biến, Khối điều khiển, Khối vận hành.
  • Phân tích nguyên lý hoạt động và chuyển mạch đảo chiều động cơ DC thông qua 2 rơ-le và transistor C1815 kết hợp công tắc hành trình.
  • Đánh giá kết quả mô phỏng trên máy tính và tiến hành lắp ráp, thử nghiệm trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thu quần áo khi trời mưa được xây dựng dựa trên nguyên lý cảm biến độ ẩm/nước mưa và tầng điều khiển động lực bằng rơ-le.

1. Kiến trúc hệ thống và danh mục linh kiện

Hệ thống được tổ chức thành 4 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  • Khối nguồn: Cung cấp điện áp một chiều $12\text{V DC}$ cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
  • Khối cảm biến: Sử dụng một bản mạch đồng gồm các đường mạch in đặt song song xen kẽ nhau nhưng không chạm nhau ở trạng thái khô; đóng vai trò như một công tắc cảm biến nhận tín hiệu nước mưa.
  • Khối điều khiển: Tiếp nhận tín hiệu điện từ bản mạch cảm biến, xử lý đóng ngắt dòng điện điều khiển 2 rơ-le để cấp nguồn đảo cực cho động cơ.
  • Khối vận hành: Động cơ điện một chiều $12\text{V DC}$ kết hợp cơ cấu trục quay và dây kéo để đưa sào quần áo ra hoặc thu vào.
Khối chức năng Tên linh kiện Ký hiệu Thông số kỹ thuật Số lượng Vai trò trong hệ thống
Khối nguồn Bộ nguồn / Ắc-quy BAT1 $12\text{V DC}$ 01 Cấp năng lượng cho toàn mạch
Khối cảm biến Bản mạch đồng SW1 Mạch đồng song song 01 Cảm biến giọt nước mưa
Khối điều khiển Transistor Q1, Q2 C1815 (NPN) 02 Đóng ngắt cuộn hút rơ-le
Khối điều khiển Rơ-le điện cơ RL1, RL2 $6\text{V DC}$ 02 Chuyển mạch đảo chiều động cơ
Khối điều khiển Điện trở R1, R2 $10\text{ k}\Omega$ 02 Định thiên và phân cực cực B
Khối điều khiển Diode bảo vệ D1, D2 Diode (1N4007) 02 Triệt tiêu xung ngược từ cuộn dây
Khối điều khiển Đèn LED D1 LED báo hiệu 01 Chỉ thị trạng thái làm việc
Khối điều khiển Công tắc hành trình - Tiếp điểm ngắt cơ 02 Giới hạn hành trình kéo/thu
Khối vận hành Mô tơ điện - $12\text{V DC}$ 01 Kéo và cuộn dây thu quần áo

2. Nguyên lý vận hành của hệ thống

Hệ thống hoạt động theo hai trạng thái thời tiết tự động:

  • Trạng thái khi trời mưa: Khi những giọt nước mưa rơi lên bề mặt bản mạch cảm biến, nước mưa đóng vai trò như chất dẫn điện kết nối các đường mạch đồng song song, làm mạch cảm biến đóng lại (tương đương công tắc SW1 đóng). Dòng điện chạy qua mạch cảm biến đến chân B của transistor Q1 thuộc khối điều khiển. Do được phân cực thuận ($U_{BE} > 0{,}6\text{V}$), transistor Q1 mở dẫn bão hòa, tạo dòng điện chạy qua cuộn dây rơ-le RL1 về mass. Rơ-le RL1 đóng tiếp điểm, cấp nguồn $12\text{V}$ cho mô tơ quay theo chiều cuộn dây, kéo sào phơi quần áo thu vào khu vực có mái che. Khi sào phơi chạm vào công tắc hành trình vị trí trong nhà, mạch cấp cho mô tơ ngắt để dừng động cơ.

  • Trạng thái khi trời nắng (hết mưa): Khi trời tạnh ráo, bản mạch cảm biến khô ráo làm điện trở giữa các đường đồng tăng cao vô cùng, mạch cảm biến hở (SW1 mở). Transistor Q1 không được cấp dòng kích ở chân B nên khóa hoàn toàn ($I_C = 0$), cuộn hút rơ-le RL1 mất điện làm nhả tiếp điểm. Trạng thái mạch chuyển tiếp kích thông cho transistor Q2, làm đóng cuộn hút rơ-le RL2. Việc kích hoạt RL2 làm đảo chiều cực tính nguồn điện cung cấp cho mô tơ $12\text{V}$, khiến mô tơ quay theo chiều ngược lại để đẩy sào phơi kéo dây đưa quần áo ra ngoài trời. Khi sào phơi chạm công tắc hành trình ngoài trời, mô tơ tự động dừng quay.

3. Kết quả mô phỏng và kiểm thử thực nghiệm

Quá trình kiểm thử được tiến hành qua hai giai đoạn:

  • Mô phỏng trên phần mềm Proteus: Mạch được thiết lập với sơ đồ nguyên lý chuẩn, thực hiện mô phỏng hai chế độ mô tơ kéo dây ra ngoài và mô tơ cuộn dây vào trong. Kết quả mô phỏng xác nhận logic đóng ngắt của 2 transistor C1815 và sự chuyển đổi tiếp điểm của 2 rơ-le hoạt động chính xác.
  • Lắp ráp mô hình thực tế: Tác giả đã hàn hoàn thiện bảng mạch điều khiển, bố trí bản cảm biến đồng ngoài trời và liên kết cơ cấu mô tơ kéo dây với mô hình giá phơi thu nhỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy mạch phản hồi ổn định, cảm biến có độ nhạy cao khi tiếp xúc với nước, mô tơ vận hành êm và đảo chiều đúng logic thiết kế.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã đạt được các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng "Hệ thống tự động thu quần áo khi trời mưa" sử dụng transistor C1815 và rơ-le cơ điện, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
  • Hệ thống hoạt động chính xác theo hai trạng thái thời tiết: tự động kích hoạt mô tơ cuộn dây thu quần áo vào khi có mưa và đảo chiều mô tơ kéo quần áo ra khi trời tạnh.
  • Mạch điện có kết cấu đơn giản, chi phí linh kiện thấp, độ tin cậy cao và dễ dàng lắp đặt, sửa chữa.

Các giải pháp và kiến nghị mở rộng của tác giả:

  • Kiến nghị ứng dụng mạch cảm biến nước mưa kết hợp transistor vào hệ thống tưới cây tự động trong nông nghiệp nhằm tự động ngắt van tưới khi trời mưa, tránh gây ngập úng và lãng phí nước.
  • Đề xuất ứng dụng mạch cảm biến để lắp đặt hệ thống còi hú báo động mưa tự động cho các xưởng chế biến, sân phơi nông sản và thực phẩm khô.

Đóng góp của đề tài:

  • Về mặt học thuật và sư phạm: Đóng vai trò là tài liệu tham khảo thực hành trực quan cho sinh viên chuyên ngành Sư phạm Vật lý trong việc tìm hiểu, đo kiểm linh kiện điện tử và ứng dụng transistor C1815 vào thiết kế mạch điều khiển.
  • Về mặt thực tiễn: Cung cấp một giải pháp tự động hóa gia dụng thiết thực, có khả năng triển khai ứng dụng trực tiếp trong đời sống sinh hoạt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu thực tế):

  • Mô hình nghiên cứu dừng lại ở mức độ thực nghiệm quy mô nhỏ, sử dụng mạch điều khiển phần cứng rời rạc (logic transistor và rơ-le), chưa tích hợp bộ vi điều khiển (MCU) để lập trình các chế độ điều khiển nâng cao (như hẹn giờ trễ, điều chỉnh tốc độ kéo, hoặc cảm biến cường độ ánh sáng/gió).
  • Bản mạch cảm biến bằng đồng để ngoài môi trường tự nhiên dễ bị oxy hóa bề mặt sau thời gian dài tiếp xúc với nước mưa và không khí ẩm.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tích hợp thêm cảm biến ánh sáng (quang trở) và cảm biến gió để hệ thống tự động thu quần áo khi trời tối hoặc khi có gió lốc mạnh.
  • Nâng cấp mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển để tối ưu hóa thuật toán điều khiển và kéo dài tuổi thọ động cơ.
  • Phát triển hoàn thiện hệ thống tưới tiêu tự động và hệ thống cảnh báo mưa cho các cơ sở sản xuất đồ khô như đề xuất của tác giả.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lý, Vật lý Ứng dụng, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử khi làm quen với học phần Điện tử học, Thực hành mạch điện tử và Phương pháp giảng dạy kỹ thuật.
  • Học sinh, sinh viên và người nghiên cứu chế tạo các hệ thống tự động hóa gia dụng cơ bản không đòi hỏi lập trình vi điều khiển phức tạp.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong tài liệu:

  • Phương pháp nhận biết, tra cứu bảng màu, cách tính toán công suất và quy trình đo kiểm linh kiện thụ động (R, C, L) bằng đồng hồ vạn năng.
  • Phương pháp phân cực và tính toán mạch khóa điện tử dùng transistor BJT NPN C1815.
  • Sơ đồ mạch nguyên lý đảo chiều động cơ DC sử dụng 2 rơ-le điều khiển bởi transistor.

Câu hỏi thường gặp

1. Transistor C1815 thuộc loại transistor nào và có các thông số kỹ thuật giới hạn cơ bản là bao nhiêu?

Transistor C1815 là loại transistor tiếp mặt lưỡng cực (BJT) cấu trúc NPN ($n^+ - p - n$). Các thông số giới hạn định mức gồm: dòng điện cực gốc tối đa $I_{B\max} = 10\text{ mA}$, dòng điện cực thu tối đa $I_{C\max} = 100\text{ mA}$, cùng các điện áp đánh thủng $V_{CEO}, V_{CBO}, V_{EBO}$ và công suất tiêu tán nhiệt $P_C = U_{CE} \cdot I_C$.

2. Hệ thống thu quần áo trong khóa luận gồm những khối chức năng nào?

Hệ thống được cấu thành từ 4 khối chức năng:

  1. Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện $12\text{V DC}$.
  2. Khối cảm biến: Bản mạch đồng song song nhận biết nước mưa.
  3. Khối điều khiển: Gồm 2 transistor C1815, 2 rơ-le $6\text{V DC}$, 2 điện trở $10\text{ k}\Omega$, diode, đèn LED và 2 công tắc hành trình.
  4. Khối vận hành: Động cơ điện một chiều $12\text{V DC}$ kéo trục cuộn dây.

3. Cơ chế nhận biết nước mưa của khối cảm biến được thực hiện như thế nào?

Khối cảm biến được chế tạo từ một bản mạch đồng với các đường mạch kim loại kẻ song song đặt sát nhau nhưng cách điện khi khô ráo. Khi trời mưa, nước mưa đọng trên bề mặt bản mạch đóng vai trò là chất dẫn điện kết nối các đường đồng, làm kín mạch cảm biến và đưa dòng điện phân cực vào chân B của transistor Q1.

4. Bằng cách nào hệ thống thực hiện được việc đảo chiều quay của mô tơ khi thời tiết thay đổi giữa mưa và nắng?

Hệ thống sử dụng mạch chuyển mạch gồm 2 rơ-le $6\text{V}$ (RL1 và RL2) được điều khiển độc lập bởi 2 transistor. Khi trời mưa, Q1 dẫn kích RL1 đóng để cấp nguồn quay thuận (thu dây kéo quần áo vào). Khi trời tạnh, Q1 ngắt, mạch chuyển sang kích Q2 dẫn làm đóng RL2, tiếp điểm của RL2 đảo ngược cực tính nguồn cấp vào động cơ $12\text{V}$, làm động cơ quay ngược lại để đẩy sào phơi ra ngoài.

5. Ngoài ứng dụng thu quần áo, tác giả còn đề xuất áp dụng mạch cảm biến này vào những lĩnh vực nào?

Tác giả đề xuất ứng dụng mạch cảm biến nước mưa vào:

  • Hệ thống tưới cây tự động trong nông nghiệp giúp tự ngắt tưới khi trời mưa để tránh ngập úng và tiết kiệm nước.
  • Hệ thống còi hú báo động mưa tự động phục vụ các nhà xưởng sản xuất, chế biến và phơi sấy đồ khô.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Tự Giàu đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về linh kiện điện tử cơ bản và đặc tính kỹ thuật của transistor lưỡng cực C1815. Nghiên cứu đã ứng dụng thành công công cụ Proteus để mô phỏng và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm hệ thống thu quần áo tự động khi trời mưa hoạt động tin cậy với 4 khối chức năng rõ ràng. Đề tài thể hiện tính ứng dụng thực tiễn cao trong đời sống và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị sư phạm cho việc giảng dạy, học tập kỹ thuật điện tử cơ bản.