Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến các thông số điện điện trở, cuộn cảm, điện dung của một số linh kiện điện

Bộ Công Thương Tập Đoàn Công Nghiệp Than Khoáng Sản Việt Nam - TKV Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV --- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Nghiên cứu ảnh hưởng của

Bộ Công Thương Tập Đoàn Công Nghiệp Than Khoáng Sản Việt Nam - TKV

Viện Cơ Khí Năng Lượng Và Mỏ - TKV

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ

VÀ THỜI GIAN ĐẾN CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN:

ĐIÊN TRỞ, CUỘN CẢM, ĐIỆN DUNG CỦA MỘT SỐ

LINH KIỆN ĐIỆN

7274

31/3/2009

Hà Nội 12/2008

Bộ Công Thương Tập Đoàn Công Nghiệp Than Khoáng Sản Việt Nam - TKV

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV

-

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến các thông số điện:

Điên trở, cuộn cảm, điện dung của một số linh kiện điện

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ TKV Chủ nhiệm đề tài: ThS Bạch Đông Phong

Hà Nội 12.2008

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

I Giới thiệu về các linh kiện điện 3

1.1 Những khái niệm cơ bản 3

1.2 Cấu tạo, tính chất của điện trở 4

1.2.1 Các đặc điểm cấu tạo của điện trở 5

1.3 Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của Tụ điện 11

1.3.1 Một số dạng thực tế của tụ điện và cách đọc tụ điện 11

Tụ không phân cực: 12

Tụ hoá: 13

Tụ Tantali: 14

Tụ điện biến đổi: 15

Tụ chặn: 15

1.4 Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của cuộn cảm 16

1.4.1 Cấu tạo của cuộn cảm 16

1.4.2 Cách đọc cuộn cảm: 18

II Nghiên cứu tìm hiểu các tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá các tính chất điện cho các linh kiện điện 18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤC VỤ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN 20

I Cầu đo LCR Meter SR 715 20

II Thiết bị lò nung 24

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 51

I Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ 51

1 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 1,8 kΩ ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 51

2 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 560 Ω ± 5% phụ thuộc vào nhiệt độ 52

3 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 820 Ω ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 52

4 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 100 Ω ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 53

5 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 150 ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 53

6 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 39 kΩ ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 54

7 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 56 kΩ ± 5% phụ thuộc vào nhiệt độ 54

8 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 82 kΩ ± 5% phụ thuộc vào nhiệt độ 55

9 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 180 kΩ ± 1% phụ thuộc vào nhiệt độ 55

10 Khảo sát sự thay đổi giá trị của điện trở 220 kΩ ± 5% phụ thuộc vào nhiệt độ 55

II Nghiên cứu khảo sát sự thay đổi điện cảm của cuộn cảm theo nhiệt độ với các cuộn

cảm khác nhau 56

1 Khảo sát sự thay đổi giá trị độ tự cảm của cuộn cảm 100 µH theo nhiệt độ 56

2 Khảo sát sự thay đổi giá trị độ tự cảm của cuộn cảm 10µH theo nhiệt độ 57

3 Khảo sát sự thay đổi giá trị độ tự cảm của cuộn cảm 940 µH theo nhiệt độ 57

4 Khảo sát sự thay đổi giá trị độ tự cảm của cuộn cảm 910µH theo nhiệt độ 57

5 Khảo sát sự thay đổi giá trị độ tự cảm của cuộn cảm 330 µH theo nhiệt độ 58

III Nghiên cứu khảo sát sự thay đổi tụ điện theo nhiệt độ với các tụ điện khác nhau 59 1 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 0,47 µF theo nhiệt độ 59

2 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 2A103K theo nhiệt độ (Tụ mica) 60

3 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 3,3 µF theo nhiệt độ (Tụ hóa) 61

3 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 1 µF theo nhiệt độ (Tụ hóa) 61

4 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 2,2 µF theo nhiệt độ (Tụ hóa) 62

5 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 10µF theo nhiệt độ (Tụ hóa) 62

6 Khảo sát sự thay đổi điện dung của tụ điện 220µF theo nhiệt độ (Tụ hóa) 62

KẾT LUẬN 64

T ÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU

Trong những thập niên gần đây, sự phát triển và ứng dụng của khoa học kỹ thuật ở Việt Nam đã làm thay đổi đời sống xã hội, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hướng tăng tỷ lệ nội địa hoá, giảm nhập khẩu nhằm giúp Nhà nước giảm chi phí, tiết kiệm ngoại tệ, giảm tỷ lệ nhập siêu từ nước ngoài và chủ động nguồn hàng đã trở thành mục tiêu của Đảng và Nhà nước trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Rất nhiều máy móc thiết bị, các chi tiết, linh kiện đã được chúng ta chế tạo ra và thay thế xứng đáng cho các máy móc thiết

bị, các chi tiết, linh kiện nhập ngoại Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa khả năng làm việc của máy móc thì chúng ta phải không ngừng cải tiến hơn nữa về chất lượng sản phẩm, trong đó việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chế độ làm việc ở Việt Nam đến tính chất và các thông số của các thiết bị và linh kiện đóng vai trò rất quan trọng Chính vì lý do đó mà nhóm nghiên cứu đã tập trung vào xây dựng

hệ thiết bị kiểm tra, đánh giá về chất lượng của các sản phẩm linh kiện điện hiện

có trên thị trường Việt Nam, nhằm đưa ra những khuyến cáo cho các nhà sản xuất, gia công trong nước về độ chính xác, điều kiện làm việc của các linh kiện điện hiện bán trên thị trường

- Trong những thập niên gần đây, sự phát triển và ứng dụng của khoa học kỹ thuật tại Việt Nam đã làm thay đổi đời sống xã hội, cùng với sự phát triển đó, xu hướng tăng tỷ lệ nội địa hóa, giảm nhập khẩu nhằm giúp Nhà nước giảm chi phí, tiết kiệm ngoại tệ, giảm tỷ lệ nhập siêu và chủ động nguồn hàng đã trở thành mục tiêu của Đảng và Nhà nước trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa khả năng làm việc của máy móc thì chúng

ta phải không ngừng cải tiến hơn nữa về chất lượng sản phẩm Tại Nước ta thì việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chế độ làm việc đến tính chất và các thông số của các thiết bị và linh kiện đóng vai trò rất quan trọng Do đó, nhóm thực hiện đề tài đã tập trung vào xây dựng hệ thiết bị để kiểm tra, đánh giá về chất lượng của các sản phẩm linh kiện điện tử hiện có trên thị trường Việt Nam, để bước đầu chúng ta có thể kiểm soát và duy trì được chất lượng các sản phẩm một cách

thường xuyên hoặc có thể đưa ra được các phương án nhằm cải thiện nâng cao chất lượng sản phẩm

Với thời gian nghiên cứu còn hạn chế, nội dung báo cáo chưa thể hiện được hết tất cả những mong muốn của nhóm nghiên cứu, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý vị

Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn Bộ Công Thương, trường đại học Bách khoa Hà nội, trường Đại học Mỏ địa chất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, cũng như tất cả các đơn vị, cá nhân đã phối hợp với chúng tôi thực hiện đề tài này

TM nhóm thực hiện đề tài

Bạch Đông Phong

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

I Giới thiệu về các linh kiện điện

Hiện nay tại Việt Nam các linh kiện điện (điện trở, cuộn cảm, tụ điện) được bày bán rộng rãi trên thị trường, nhưng đa phần các linh kiện này được nhập khẩu

từ Trung Quốc có giá thành rất rẻ cho nên chất lượng không được đảm bảo Việc nghiên cứu, đánh giá chất lượng các linh kiện này một cách chính xác và có hệ thống vẫn ít được quan tâm

Phòng thí nghiệm Vật liệu tính năng kỹ thuật cao của chúng tôi được trang

bị một máy đo các thông số của linh kiện điện: LCR Meters Model SR715 do hãng Stanford Research Systems, Mỹ sản xuất có độ chính xác cao Việc sử dụng, khai thác thiết bị trong thời gian qua đã được nhân viên của phòng thí nghiệm thực hiện cho nhiều khách hàng Để phát huy hơn nữa tính năng của thiết bị và các điều kiện thử nghiệm, chúng tôi tiến hành 1 loạt các nghiên cứu về độ chính xác, tính chất của các linh kiện điện hiện bán trên thị trường, các điều kiện làm việc tại các nhiệt

độ khác nhau, nhằm khảo sát độ chính xác và đưa ra các khuyến cáo cho những người sử dụng những linh kiện đó

1.1 Những khái niệm cơ bản

Trạng thái điện của 1 phần tử được thể hiện qua hai thông số trạng thái là điện áp u giữa 2 đầu và dòng điện i chạy qua, khi phần tử tự nó tạo được các thông

số này thì được gọi là 1 nguồn điện áp hay nguồn dòng điện Ngược lại, phần tử không tự tạo được điện áp hay dòng điện trên thì nó cần phải được nuôi từ 1 nguồn sức điện động từ ngoài Mối quan hệ tương hỗ giữa 2 thông số trạng thái u và i của

1 phần tử được gọi là trở kháng của nó thể hiện ở một quan hệ hàm số: i = f(u)

Ở đây ta chọn điện áp u giữa 2 đầu của phần tử đang xét là biến số và dòng điện i chảy qua là hàm số của u Khi đó, tồn tại hai nhóm quan hệ: hàm f là quan

hệ tuyến tính (được mô tả bởi phương trình đại số bậc nhất hay phương trình vi tích phân tuyến tính), phần tử tương ứng được gọi là phần tử tuyến tính; còn khi quan hệ hàm f là quan hệ phi tuyến tính (trạng thái được mô tả bởi phương trình đại số bậc cao hay phương trình vi tích phân tuyến tính), phần tử tương ứng được gọi là phần tử phi tuyến Điện trở, tụ điện và cuộn cảm trong điều kiện làm việc

thông thường là các phần tử thuộc nhóm quan hệ tuyến tính Tính chất quan trọng nhất là có thể áp dụng được nguyên lý chồng chất, nghĩa là tác động tổng cộng luôn bằng tổng các tác động riêng lẻ lên phần tử, đáp ứng tổng cộng nhận được luôn bằng các đáp ứng riêng lẻ Nếu biểu diễn quan hệ i = f(u) bằng đồ thị gọi là đặc tuyến von-ampe của phần tử thì đồ thị sẽ có dạng bậc nhất theo các quan hệ (1.1)

u k i

1.2 Cấu tạo, tính chất của điện trở

Để đạt được 1 giá trị dòng điện mong muốn tại 1 điểm nào đó của mạch điện hay giá trị điện áp mong muốn giữa 2 điểm của mạch người ta dùng điện trở

có giá trị thích hợp, chú ý rằng chúng có tác dụng giống nhau trong cả mạch điện 1 chiều và mạch điện xoay chiều, tức là chế độ làm việc của điện trở không phụ thuộc vào tần số của tín hiệu tác động lên nó Khi sử dụng 1 điện trở, các tham số cần quan tâm là: Giá trị điện trở tính bằng Ohm (Ω) hay kilô-ôm (kΩ)…; Sai số hay dung sai là mức thay đổi tương đối của giá trị thực so với giá trị danh định của

nhà sản xuất được ghi trên nó tính theo phần trăm (%); Công suất tối đa tính bằng wat (W); tham số về đặc điểm cấu tạo và loại vật liệu được dùng để chế tạo điện trở

1.2.1 Các đặc điểm cấu tạo của điện trở

a Các loại điện trở có giá trị cố định thường gặp nhất được cho trên hình (1 2)

Mµng than 1/3W

Mµng than 1W Mµng than 1/2W

Nếu phân chia theo cấu tạo, có 5 loại điện trở chính là:

- Điện trở than ép dạng thanh chế tạo từ bột than trộn với chất kết dính, nung nóng hoá thể rắn, được bảo vệ bằng 1 lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn Điện trở than có độ ổn định cao là loại phổ biến nhất có công suất danh định từ

20

1

W đến vài W, có giá trị 10Ω đến 22MΩ

- Điện trở màng kim loại chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr trên thân gốm có xẻ rãnh xoắn sau đó phủ lớp sơn, loại này có độ ổn định cao hơn loại than nhưng giá thành cao hơn vài lần

- Điện trở oxit kim loại: Kết lắng màng oxit thiếc trên thanh SiO2, chịu nhiệt

Khi ở trong môi trường có nhiệt độ thay đổi hoặc khi có dòng điệu chạy qua (điện trở toả nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ) thì giá trị của điện trở sẽ thay đổi: Trong phần lớn các loại điện trở khác có cấu tạo từ vật liệu kim loại (hình 1.2) (loại màng kim loại, oxit kim loại…) khi tăng nhiệt độ sự chuyển động của các nguyên tử trong các ô mạng, các điện tử định xứ, điện tử tự do tăng lên dẫn tới khả năng va chạm với các điện tử dẫn tăng, cản trở sự dẫn điện của vật liệu làm tăng giá trị của điện trở, do đó hệ số nhiệt độ của điện trở là dương

Công thức tính điện trở của vật liệu kim loại:

R(T) = R0(1 + αT) (1.5) Trong đó:

R0 là điện trở của kim loại ở 0 oC

α là hệ số nhiệt điện trở (giá trị phụ thuộc từng loại vật liệu)

Hinh 1.2 Cấu trúc của kim loại

Ngược lại, với các điện trở có cấu tạo từ các vật liệu có tính chất bán dẫn thông thường hình 1.3 (các màng than…) Khi nhiệt độ tăng, các điện tử ở vùng hóa trị

sẽ tách khỏi lỗ trống và nhảy lên vùng dẫn và trở thành hạt dẫn điện làm cho giá trị của điện trở giảm

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn (A là vùng hóa trị;

B là vùng dẫn, khoảng cách giữa hai vùng A và B là vùng cấm)

Công thức tính điện trở của vật liệu bán dẫn:

R(T) = R0exp(∆E/2kT) (1.6) Trong đó:

R0 là điện trở của vật liệu ở 0 oC

∆E – năng lượng vùng cấm

k = 1,38.10-23JK-1 hằng số Bônxơman

c Điện trở biến đổi thường gọi là chiết áp với cấu tạo như đã nêu trên nhưng

có dạng cung 270 0 nối với một cần con chạy quay được nhờ một trục giữa, con chạy tiếp xúc động với vành điện trở nhờ đó giá trị của nó tính từ 1 trong 2 đầu tới điểm con chạy có thể biến đổi khi quay quanh trục con chạy Khi con chạy dịch chuyển, giá trị điện trở sẽ thay đổi so với vị trí con chạy có tỷ lệ với vị trí hình học của con chạy khi đó ta có triết áp biến đổi tuyến tính, trong các trường hợp khác đây là quan hệ hàm logarit (tức là ban đầu tăng nhanh sau đó con chạy càng dịch

xa giá trị điện trở sẽ càng tăng chậm lại)

Cũng có loại chiết áp điều chỉnh trước (hay gọi là bán điều chỉnh – Trimơ), khi đó cần điều chỉnh bằng cái vặn vít vì không có cần quay ở tại trục mà chỉ có vòng quay gắn với con chạy, loại này khi dùng trong mạch chỉ điều chỉnh 1 lần trong phạm vi góc quay hẹp của con chạy (vi điều chỉnh)

Các điện trở thực tế do các nhà sản xuất chế tạo có giá trị thể hiện trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Thang các giá trị sản xuất thực của điện trở

2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,5 8,2 10,0 12,0 15,0 18,0 22,0

Khi tính toán lý thuyết để thiết kế mạch điện, giá trị điện trở nhận được thường khác với thang giá trị trên, lúc đó cần chọn giá trị trong bảng gần nhất với giá trị đã tính

d Phân loại điện trở và cách đọc điện trở

Như đã đề cập ở phần trên, điện trở đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện Chính vì thế, khi sử dụng điện trở cho một mạch điện thì một phần năng lượng điện sẽ bị tiêu hao để duy trì mức độ chuyển dời của dòng điện Nói một cách khác thì khi điện trở càng lớn thì dòng điện đi qua càng nhỏ và ngược lại khi điện trở nhỏ thì dòng điện dễ dàng được truyền qua Khi dòng điện cường độ I chạy qua một vật có điện trở R, điện năng được chuyển thành nhiệt năng với công suất theo phương trình sau:

P = I2.R (1.7) trong đó:

- Điện trở công suất nhỏ

- Điện trở công suất trung bình

- Điện trở công suất lớn

Tuy nhiên, do ứng dụng thực tế và do cấu tạo riêng của các vật chất tạo nên điện trở nên thông thường, điện trở được chia thành 2 loại:

- Điện trở: là các loại điện trở có công suất trung bình và nhỏ hay là các điện trở chỉ cho phép các dòng điện nhỏ đi qua

- Điện trở công suất: là các điện trở dùng trong các mạch điện có dòng điện lớn đi qua hay nói cách khác, các điện trở này khi mạch hoạt động sẽ tạo ra một lượng nhiệt năng khá lớn Chính vì thế, chúng được cấu tạo nên từ các vật liệu chịu nhiệt

Để tiện cho quá trình theo dõi, các khái niệm điện trở và điện trở công suất được sử dụng theo cách phân loại trên

Cách đọc giá trị các điện trở này thông thường cũng được phân làm 2 cách đọc, tuỳ theo các ký hiệu có trên điện trở Dưới đây là hình về cách đọc điện trở theo vạch màu trên điện trở

Đối với các điện trở có giá trị được định nghĩa theo vạch màu thì chúng ta

có 3 loại điện trở: Điện trở 4 vạch màu, 5 vạch màu và 6 vạch màu Loại điện trở 4 vạch màu và 5 vạch màu được chỉ ra trên hình vẽ Khi đọc các giá trị điện trở 5 vạch màu và 6 vạch màu thì chúng ta cần phải để ý một chút vì có sự khác nhau một chút về các giá trị Tuy nhiên, cách đọc điện trở màu đều dựa trên các giá trị màu sắc được ghi trên điện trở 1 cách tuần tự:

* Đối với điện trở 4 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở

* Đối với điện trở 5 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở

Hình 1.4 Cách đọc điện trở theo vạch màu trên điện trở

* Đối với điện trở 6 vạch màu, vạch mà thứ 6 cho biết sự thay đổi giá trị của điện trở theo nhiệt độ

Ví dụ trong hình vẽ trên:

- Điện trở ở vị trí bên trái có giá trị được tính như sau:

R = 45 × 102 Ω = 4,5 KΩ Bởi vì màu vàng tương ứng với 4, xanh lục tương ứng với 5, và đỏ tưong ứng với giá trị số mũ 2 Vòng màu cuối cho biết sai số của điện trở có thể trong phạm vi 5% ứng với màu kim loại vàng

- Điện trở ở vị trí giữa có giá trị được tính như sau:

R = 380 × 103 Ω = 380 KΩ Bởi vì màu cam tương ứng với 3, xám tương ứng với

8, đen tương ứng với 0, và cam tương ứng với giá trị số mũ 3 Vòng cuối cho biết giá trị sai số là 2% ứng với màu đỏ

- Điện trở ở vị trí bên phải có giá trị được tính như sau:

R = 527 × 104 Ω = 5270 KΩ Bởi vì màu xanh lục tương ứng với 5, đỏ tương ứng với 2, và tím tương ứng với 7, vàng tương ứng với số mũ 4, và nâu tương ứng với sai số 1% Vòng màu cuối cho biết sự thay đổi giá trị của điện trở theo nhiệt độ là

10 PPM/°C

1.3 Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của Tụ điện

1.3.1 Một số dạng thực tế của tụ điện và cách đọc tụ điện

Tụ điện là phần tử có giá trị dòng điện qua nó tỷ lệ với tốc độ biến đổi của điện áp trên nó theo thời gian (hệ thức

dt

du C

i= 1.3) Chúng được chia thành 2 loại chính: loại không phân cực và loại có cực tính xác định khi làm việc (có thể bị hỏng khi nối ngược cực tính)

Tụ điện là linh kiện có chức năng tích trữ năng lượng điện Chúng thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch điện bởi khả năng tích trữ năng lượng điện trong một khoảng thời gian nhất định Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng trong các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay chiều (tụ lọc), hay trong các mạch lọc bởi chức năng của tụ nói một cách đơn giản đó là tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều và hở mạch đối với dòng điện 1 chiều

Công thức tính giá trị của điện dung tụ điện:

d

S

C εε0

= (1.8) Trong đó C là điện dung của tụ điện

ε, ε0 là hằng số điện môi của môi trường và của chân không

S là diện tích giữa các bản của tụ điện

d là khoảng cách giữa 2cacs bản tụ điện

Để đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện, người ta đưa ra khái niệm là điện dung của tụ điện Điện dung càng cao thì khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện càng lớn và ngược lại Giá trị điện dung được đo bằng đơn vị Farad ký hiệu là F Giá trị F là rất lớn nên thông thường trong các mạch điện, các giá trị tụ chỉ đo bằng các giá trị nhỏ hơn như micro fara (µF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF)

Phân loại tụ điện và cách đọc tụ điện:

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều loại tụ điện khác nhau nhưng về cơ bản, chúng ta có thể chia tụ điện thành hai loại: Tụ có phân cực (có cực xác định) và tụ điện không phân cực (không xác định cực dương âm cụ thể)

a Về cấu tạo tụ không phân cực gồm các lá kim loại xem kẽ với các lá làm bằng chất cách điện, giá trị của tụ thường có điện dung từ 1,8pF (1pF=10-12F) tới

1 µ F (1 µ F = 10-6F)

Tụ không phân cực:

Hình 1.5 Tụ thường không phân cựu

Các loại tụ nhỏ thường không phân cực Các loại tụ này thường chịu được các điện áp cao mà thông thường là khoảng 50V hay 250V Các loại tụ không phân cực này có rất nhiều loại và có rất nhiều các hệ thống chuẩn đọc giá trị khác nhau

Rất nhiều các loại tụ có giá trị nhỏ được ghi ra ngoài mà không cần có hệ số nhân nào, nhưng cũng có các loại tụ có thêm các giá trị cho hệ số nhân Ví dụ có các tụ ghi 0.1 có nghĩa giá trị của nó là 0,1 µF =100 nF hay có các tụ ghi là 4n7 thì

có nghĩa giá trị của tụ đó chính là 4,7 nF

- Giá trị thứ 3 là số số không nối tiếp theo giá trị của số đã tạo từ giá trị 1 và

2, giá trị của tụ được đọc theo chuẩn là giá trị picro Fara (pF)

- Chữ số đi kèm sau cùng đó là chỉ giá trị sai số của tụ

Ví dụ: tụ ghi giá trị 102 thì có nghĩa là 10 và thêm 2 số 0 đằng sau =1000

pF = 1 nF chứ không phải 102 pF

Hoặc ví dụ tụ 272J thì có nghĩa là 2700 pF=2,7 nF và sai số là 5%

Tụ có dùng mã màu:

Sử dụng chủ yếu trên các tụ loại polyester trong rất nhiều năm Hiện nay các loại tụ này đã không còn bán trên thị trường nữa nhưng chúng vẫn tồn tại trong khá nhiều các mạch điện cũ Màu được định nghĩa cũng tương tự như đối với màu trên điện trở 3 màu trên cùng lần lượt chỉ giá trị tụ tính theo pF, màu thứ 4 là chỉ dung sai và màu thứ 5 chỉ ra giá trị điện áp

Ví dụ: tụ có màu nâu/đen/cam có nghĩa là 10000 pF= 10 nF= 0.01 µF Chú ý rằng không có khoảng trống nào giữa các màu nên thực tế khi có 2 màu cạnh nhau giống nhau thì nó tạo ra một mảng màu rộng

Tụ hoá:

Hình 1.7 Một và loại tụ hoá thông thường

Khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp Thông thường, các loại tụ hóa thường có ký hiệu chân cụ thể cho người sử dụng bằng các ký hiệu (+) hoặc (-) tương ứng với chân tụ

Có hai dạng tụ hóa thông thường đó là tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ (tụ có ghi 220 µF trên hình 1.6 ) và loại tụ hóa có 2 chân nối ra cùng 1 đầu trụ tròn (tụ có ghi giá trị 10 µF trên hình 1.6) Đồng thời trên các tụ hóa, người ta thường ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được Nếu trường hợp điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên tụ thì tụ sẽ bị phồng hoặc nổ tụ tùy thuộc

vào giá trị điện áp cung cấp Thông thường, khi chọn các loại tụ hóa này người ta thường chọn các loại tụ có giá trị điện áp lớn hơn các giá trị điện áp đi qua tụ để đảm bảo tụ hoạt động tốt và đảm bảo tuổi thọ của tụ hóa

là nhân 1 Cột màu định nghĩa giá trị điện áp thường nằm ở gần chân của tụ và có các giá trị như sau:

Hình 1.9 Một số tụ được phân biệt bằng mã mầu

Tụ điện biến đổi:

Tụ điện biến đổi thường được sử dụng trong các mạch điều chỉnh radio và chúng thường được gọi là tụ xoay Chúng thường có các giá trị rất nhỏ, thông thường nằm trong khoảng từ 100 pF đến 500 pF

Hình 1.11 Tụ xoay

Rất nhiều các tụ xoay có vòng xoay ngắn nên chúng không phù hợp cho các dải biến đổi rộng như là điện trở hoặc các chuyển mạch xoay Chính vì thế trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các mạch định thời gian hay các mạch điều chỉnh thời gian thì người ta thường thay các tụ xoay bằng các điện trở xoay và kết hợp với 1 giá trị tụ điện xác định

Tụ chặn:

Tụ chặn là các tụ xoay có giá trị rất nhỏ Chúng thường được gắn trực tiếp lên bản mạch điện và điều chỉnh sau khi mạch đã được chế tạo xong Tương tự các biến trở hiện nay thì khi điều chỉnh các tụ chặn người ta cũng dùng các tuốc nơ vít loại nhỏ để điều chỉnh Tuy nhiên do giá trị các tụ này khá nhỏ nên khi điều chỉnh, người ta thường phải rất cẩn thận và kiên trì vì trong quá trình điều chỉnh có sự ảnh hưởng của tay và tuốc nơ vít tới giá trị tụ

Hình 1.12 Tụ chặn

Các tụ chặn này thường có giá trị rất nhỏ, thông thường nhỏ hơn khoảng

100 pF Có điều đặc biệt là không thể giảm nhỏ được các giá trị tụ chặn về 0 nên chúng thường được chỉ định với các giá trị tụ điện tối thiểu, khoảng từ 2 tới 10 pF

Với cấu của các dạng tụ điện và theo công thức tính điện dung của tụ điện (1.8), như vậy ta thấy rằng yếu tố nhiệt độ chủ yếu tác đông đến hằng số điện môi của môi trường điện môi giữa các bản cực của tụ điện

1.4 Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của cuộn cảm

1.4.1 Cấu tạo của cuộn cảm

Cuộn cảm là một linh kiện điện thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng điện biến đổi theo thời gian (như các mạch điện xoay chiều)

Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của

từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha

so với điện áp một góc bằng 90°

Cuộn cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm, đo trong hệ đo lường quốc tế theo đơn vị henri (H) Cuộn cảm có độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng

Về cấu tạo cuộn cảm có thể chia làm các loại sau: cuộn cảm không có lõi, cuộn cảm có lõi bằng bột từ ép, cuộn cảm có lõi bằng sắt từ và cuộn cảm có thể biến đổi điện cảm

Cuộn cảm có thể được làm bằng cách quấn các vòng dây dẫn điện; tùy công suất và độ tự cảm để chọn thiết diện của dây dẫn và số vòng Ví dụ, với độ tự cảm 1mH với công suất từ 100W trở xuống thì lấy loại dây đồng có đường kính 0,3mm-0,5mm quấn 10 vòng; công suất cao hơn thì chọn đường kính 1,2mm quấn 13-15 vòng

Từ trường B do cuộn cảm sinh ra khi có dòng điện đi qua sẽ là tổng hợp của hai thanh phần:

- Thành phần từ trường do lõi làm bằng vật liệu từ của cuộn cảm sinh ra B→1

- Thành phần từ trường do ống dây cuốn quanh lõi sinh ra B→2

B2 = 4π.10-7.nI (1.9) Trong đó n = N/l (số vòng dây trên mỗi mét chiều dài ống)

L f j R

Z L = L + 2π . (1.12)

ở đây trở kháng tổng cộng của cuộn dây kí hiệu là ZL gồm 2 phần như đã nêu và khi tần số tín hiệu tác động tăng lên, theo (1.11) điện kháng của cuộn dây

fL

X L = 2π sẽ tăng tỉ lệ Hệ thức trên cho xác định điện kháng bằng Ω khi L tính là

mH và f là kHz hoặc L tính theo đơn vị µ H và tính f là MHz Lấy modun biểu thức 1.11 ta nhận được giá trị trở kháng của cuộn dây

2 2

L L

1.4.2 Cách đọc cuộn cảm:

Tương tự như đối với điện trở, trên thế giới có một số loại cuộn cảm có cấu trúc tương tự như điện trở Quy định màu và cách đọc màu đều tương tự như đối với các điện trở

Hình 1.13 Cách đọc giá trị cuộn cảm bằng các vạch màu

Tuy nhiên, do các giá trị của các cuộn cảm thường khá linh động đối với yêu cầu thiết kế mạch cho nên các cuộn cảm thường được tính toán và quấn theo

số vòng dây xác định Với mỗi loại dây, với mỗi loại lõi khác nhau thì giá trị cuộn cảm sẽ khác nhau

II Nghiên cứu tìm hiểu các tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá các tính chất điện cho các linh kiện điện

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đề tài đã nghiên cứu tìm hiểu và áp dụng các tiêu chuẩn Việt Nam áp dụng cho các linh kiện điện như sau:

“Điện trở và tụ điện thông dụng có trị số không đổi – Phương pháp thử nghiệm và đánh giá độ tin cậy trong điều kiện nóng ẩm- TCVN 3946 – 84”

Qua tìm hiểu tiêu chuẩn này, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng: đây là phương pháp đánh giá độ tin cậy trong điều kiện nóng ẩm, các chế độ đo già hóa của các linh kiện, thời gian khảo sát là rất dài, số lượng linh kiện trong một lần khảo sát là rất lớn (không ít hơn 35.000 giờ đối với thử nghiệm bảo quản và 1000

một loại) Điều này vượt quá khả năng về thời gian cũng như nhiệm vụ của đề tài

Do đó nhóm đề tài chọn một số chế độ đo cụ thể được quy định trong tiêu chuẩn

và một số chế độ đo khác nhằm cụ thể hóa chế độ và môi trường làm việc của các linh kiện điện trong điều kiện Việt Nam Cụ thể là: giá trị các linh kiện được khảo sát ngay trong quá trình được gia nhiệt Quá trình gia nhiệt được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 3946-84 và theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất linh kiện ghi trên sản phẩm Do đó các linh kiện được khảo sát với các chế độ gia nhiệt khác nhau từ nhiệt độ phòng cho tới 100 oC, tốc độ tăng nhiệt là 1 oC/phút, thời gian khảo sát trong khoảng 2 giờ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤC

VỤ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC

THÔNG SỐ ĐIỆN

Hiện tại Phòng thí nghiệm Vật liệu tính năng kỹ thuật cao có một thiết bị đo giá trị các linh kiện điện: cảm kháng, điện dung, điện trở LCR Meters Model SR715 được sản xuất bởi hãng Stanford Resesrch Systems – Mỹ có độ chính xác rất cao, nhưng chỉ đo các linh kiện điện tại nhiệt độ phòng, kết quả đo thu được dưới dạng dữ liệu (data) Do đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị gia nhiệt tạo điều kiện môi trường và viết phần mềm ghép nối điều khiển thiết bị đo, thiết bị gia nhiệt với máy tính (kết quả thu được dưới dạng dữ liệu hoặc được vẽ thành đồ thị) mà không ảnh hưởng đến các giá trị đo của thiết bị đo Phần mềm điều khiển, thu nhận tín hiệu của lò nung và cầu đo LRC được viết bằng ngôn ngữ lập trình denphi

Các linh kiện điện (điện trở, cuộn cảm, tụ điện) được khảo sát là các linh kiện thông dụng được bán trên thị trường hiện nay Mỗi loại linh kiện được tiến hành khảo sát trên 3 linh và được lấy ngẫu nhiên trong 100 linh kiện Kết quả thu được là kết quả trung bình của 3 linh kiện đó Mỗi giá trị thu được được tiến hành trên 3 điểm đo, sau đó lấy trung bình của 3 điểm đo đấy

Điều kiện môi trường khảo sát: độ ẩm ~ 70%

I Cầu đo LCR Meter SR 715

Các thông số đặc trưng:

Cầu đo theo các chế độ: tự động R + Q; L + Q, C + R

Mạch tương đương: Nối tiếp; Song song

Hiển thị các thông số: Giá trị linh kiện, sai số, tỷ lệ sai số % được tính toán từ các giá trị đo

Giá trị trung bình được lấy từ: 2 đến 10 phép đo

Tốc độ đo: Chậm, trung bình, nhanh tương ứng với:

2, 10, 20 điểm đo trong 1 giây với tần số 1 kHz;

0,6, 2,4, 6 điểm đo trong 1 giây với tần số 100 Hz và 120 Hz

Chế độ đo: Tự động; điều khiển bằng tay (đặt chế độ đo)

Các điều kiện áp dụng vào phép đo:

1) Điện áp ra: 1,0; 0,5; 0,25 V

2) Tốc độ đo: trung bình hoặc chậm

3) Q và D < 0,1 (đối với đo R và C)

4) Q > 10 (đo L)

5) Tần số đo R: 100 Hz, 120 Hz, 1 kHz

6) Tần số đo Lmax và Cmax: 100 Hz

7) Tần số đo Lmin và Cmin: 10 kHz

jQ Rp

Lp j Rp

D

j Rs j D Cs Cs

j Rs

ωω

Rs

Rp Zp

+

+

=+

ω

RpCp RsCs

Trong đó Q và D là các hệ số phẩm chất của các linh kiện

Điều kiện đặt chế độ đo của cầu đo LCR SR 715

< 10 µH L+Q

Series (nối tiếp) 100 kHz

10 µH - 1mH L+Q

Series (nối tiếp) 10 kHz

< 10 pF C+D

Parallel (song song) 10 kHz

10 pF - 400 pF C+D

Series or Parallel (nối tiếp hoặc song song) 10 kHz

II Thiết bị lò nung

Sau khi nghiên cứu một số thiết bị lò nung dạng ống của một số hãng sản xuất nổi tiếng trên thế giới: Lenton – Anh, Barloworld – Anh, Carbolite – Đức….nhóm đề tài đã tham khảo công nghệ và tự chế tạo một thiết bị lò nung dạng ống, có nhiệt độ nung tối đa là 1100 oC, tốc độ nâng nhiệt trong khoảng từ 1 đến 20oC/phút, có 5 chương trình đặt theo nhiệt độ và thời gian khác nhau Sau đó thiết bị được kiểm tra độ chính xác bằng các thiết bị đo nhiệt độ hiện có của Phòng thí nghiệm

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị:

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống cầu đo LCR và lò nung

- Lò ống nằm ngang; Nhiệt độ tối đa: 1100oC; Đo nhiệt độ chính xác đến 1oC

- Tự vận hành hoặc từ xa qua PC

- Điện áp làm việc: 220VAC @ 50-60Hz

- Kích thước ống lò: Đường kính trong: 35mm; Đường kính ngoài: 45mm; Chiều dài: 500mm

- Lớp cách nhiệt: Đường kính: 200mm; Chiều dài: 450mm

- Chiều cao tổng thể: 450 mm

1 Lớp vỏ lò và tấm bảo vệ: Được chế tạo bằng hợp kim nhôm

2 Lớp cách nhiệt: Làm từ bông sợi thủy tinh có khả năng chịu nhiệt, cách nhiệt cao; Độ dày ~ 20cm

3 Sợi đốt: Làm bằng hợp kim của Ni; Quấn từng đôi ngược chiều nhau để khử từ trường sinh ra do dòng điện qua sợi đốt; Tổng giá trị điện trở: 28Ω

4 Cặp nhiệt điện: Cặp nhiệt Pt-PtRd; Nhiệt độ max của cặp: 1600oC; Độ chính xác 0,1oC

5 Bộ điều khiển:

- Màn hình LCD hiển thị nhiệt độ và các thông số khỏc của lò

- Bốn nút bấm chức năng

- Cổng kết nối máy tính RS232 (COM)

- Thuật toán điều khiển PID nhằm loại bỏ thăng giáng nhiệt độ trong quá trình điều khiển nhiệt độ của lò

6 Phần mềm điều khiển:

- Điều khiển lò với các chế độ:

+ Tốc độ tăng nhiệt (ramp):1-20oC/phút

+ Có thể cài đặt các chế độ gia nhiệt, rất thích hợp cho khảo sát đặc trưng điện của vật liệu theo nhiệt độ (step)

+ Tích hợp bộ điều khiển cầu đo LCR

+ Có khả năng điều khiển đo LCR tự động nhờ kết nối với cầu LCR

Sơ đồ khối của bộ điều khiển lò như hình dưới:

Nhiệt độ lò được đo thông qua cặp nhiệt điện Pt-PtRd với nhiệt độ max lên đến 1600oC và hệ số chuyển đổi khoảng 14µV/độ Tín hiệu điện này trước khi đưa vào bộ chuyển đổi số được khuếch đại qua bộ KĐ CNĐ với hệ số khuếch đại 100 lần sử dụng IC chuyên dụng có đội trôi nhiệt thấp OP07 Bộ chuyển đổi tương tự

số ADC 14 bít dùng ICL7135 với tín hiệu vào biến đổi từ -2.000V đến +2.000V

và độ phân giải đến 0.1mV Điều đó tương ứng với độ phân giải của nhiệt độ là

~0.1oC

Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc cặp nhiệt điện và mạch điện là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, nhiệt độ này được xác định thông qua một diode bán dẫn có hệ số chuyển đổi ~2mV/ độ, nhiệt độ này cũng được khuếch đại và số hóa chỉ qua bộ ADC 10bit, lý do là nhiệt độ tiếp xúc này

chỉ biến đổi ±10oC nên không cần độ phân giải quá cao như với cặp nhiệt điện chính

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo bộ điều khiển lò

MCU-8bit sử dụng chip PIC16F876A của Microchip, với 8kB bộ nhớ chương trình cho phép chứa một chương trình điều khiển lò với nhiều tính năng phức tạp Tín hiệu số hóa thu được từ các bộ ADC chứa thông tin về nhiệt độ, sai

số hệ thống và nhiễu Đồng thời, hệ số chuyển đổi của cặp nhiệt điện không phải

là hàm tuyến tính theo nhiệt độ, dó đó, phần mềm điều khiển cần thực hiện các phép xử lý số như tuyến tính hóa, triệt sai số hệ thống Ngoài ra, phần mềm này cũng thực hiện các chức năng ghép nối ADC, RS232 (nối máy tính), màn hình hiển thị LCD, bàn phím và thực hiện thuật toán điều khiển PID, điều biến độ rộng xung PWM trước khi đưa vào bộ điều khiển công suất dùng rơ-le rắn SSR

Sợi đốt của lò được quấn làm hai cuộn dây điện trở 27Ω ngược chiều nhau

để triệt tiêu từ trường Công suất tối đa của lò có thể đạt tới 3kW

Lò sau khi chế tạo được kiểm tra vùng nhiệt độ đồng nhất trong ống lò tính

từ tâm lò (mốc 0) bằng thiết bị chuyên dụng của phòng thí nghiệm

KĐ CNĐ

KĐ T ref

TJ

ADC1 – 14bit

ADC2 – 10bit

Lò Sợi đốt

Bảng 2.1 Kết quả khảo sát sự phân bố nhiệt độ trong lò

Vị trí (cm) 0 1 2 3 4 5 6 7 10 15 20 Nhiệt độ ( o C) 1100 1100 1100 1100 1098 1098 1097 1097 1081 1014 925

Như vậy khoảng nhiệt độ đồng nhất trong ống lò có chiều dài là 6 cm ở tâm

lò Mẫu được đặt khảo sát ở tâm lò, sát ngay vị trí đặt cặp nhiệt điện để đảm bảo

chính xác nhiêt độ đo

Chương trình phần mềm kết nối, điều khiển lò và hệ đo LCR715 Meter:

1 Hàm giao tiếp LCD:

Ghi 1 byte len LCD

void LCD_wite(const char cw) {

LCD_wite(cmd);

} Cho Hiển thị một xâu ký tự trên LCD

void LCD_puts(const const char* s) {

char i, len = strlen(s);

LCD_wcmd(0x06); // Cursor move Increment, Not to shift the display

//Busy vao INT

//Clock vao T1CLOCK

TRISC0=1; //T1Clock input

TRISB0=1;

ADC_RUN_TRIS=0;

T1CON=0b00000110;//T1 external input; no sync;prescale 1:1; T1=OFF

INTEDG = 0; // falling edge trigger the interrupt

GIE = 1;

}

Lấy mẫu tín hiệu và chuyển đổi

unsigned int ADCplay (void)

{

ADGO=1;

while (ADGO) continue;

return ((((unsigned int)ADRESH)<<8)|(ADRESL));

}

Đọc kết quả từ ADC

#define ADC_RUN RA3

#define ADC_RUN_TRIS TRISA3

#define POLAR RA5

#define UNR RA1

#define OVR RA2

3 Điều khiển rơ-le rắn cung cấp dòng cho sợi đốt

Thuật toán điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân (PID):

void PID_Initialize(real kp, real ki, real kd,real error_thresh, real step_time);

real PID_Update(real error);

static float m_started;

static bank2 real m_kp, m_ki, m_kd, m_h, m_inv_h, m_prev_error, m_error_thresh, m_integral;