Trang 5 Chương 1 Mở đầuCấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến trở.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điện trở.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tụ điện.Nắm được một cách tổng quan về m
Kết quả đạt được
Điều chỉnh độ sáng của bóng đèn sợi đốt và đèn halogen giúp kiểm soát nhiệt lượng tỏa ra, hữu ích cho việc sưởi ấm chăn nuôi và sấy thực phẩm Ngoài ra, việc điều chỉnh thanh gia nhiệt trong các lò sấy và nhiệt độ nước trong nồi phở, nồi hấp cũng rất quan trọng Bên cạnh đó, bạn có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ quạt, khoan pin và các động cơ AC công suất nhỏ, giúp tiết kiệm năng lượng và tạo ra hiệu suất tối ưu, chẳng hạn như sử dụng mạch Dimmer AC để giảm tốc độ quạt khi cần thiết.
Kết luận, dimmer AC mang lại nhiều ưu điểm như kích thước gọn nhẹ và giá thành hợp lý Tuy nhiên, nhược điểm chính là việc sử dụng Triac để biến dạng sóng sin Các tải thuần trở, như đèn sợi đốt và trở nhiệt, hoạt động hiệu quả với các giá trị trung bình nhờ vào tác dụng san đều Ngược lại, các tải cảm, chẳng hạn như động cơ, sẽ gặp vấn đề khi hoạt động, dẫn đến việc phát nóng hơn bình thường và tiêu tốn năng lượng cao hơn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Dimmer là gì?
Dimmer là thiết bị kết nối với nguồn sáng cố định nhằm điều chỉnh độ sáng của ánh sáng Nó hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi dạng sóng điện áp cung cấp cho thiết bị phát sáng.
Nguyên lý hoạt động của dimmer
Dimmer hoạt động bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế cung cấp cho thiết bị tiêu thụ điện, từ đó giúp kiểm soát mức độ chiếu sáng của đèn một cách hiệu quả hơn.
Hiểu theo cách khác thì dimmer hoạt động dựa trên việc điều chỉnh của điện trở.
Điện trở tiêu hao điện năng qua quá trình sinh nhiệt, dẫn đến sự thay đổi cường độ dòng điện, và điều này ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng của đèn.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.2 Mạch dimmer cơ bản sử dụng Diac và Triac
Các loại dimmer phổ biến hiện nay
Có nhiều loại dimmer, nhưng hai loại phổ biến nhất là dimmer leading edge và trailing edge Cả hai loại dimmer này đều hoạt động bằng cách cắt giảm điện áp ở các pha khác nhau của sóng hình sin trong dòng điện xoay chiều, từ đó giảm lượng năng lượng cung cấp cho bóng đèn.
Leading edge dimmer (Bộ điều chỉnh độ sáng cạnh đầu)
Dimmer dẫn (leading edge dimmer) là loại dimmer phổ biến nhất, đã được sử dụng lâu dài để điều chỉnh độ sáng của đèn sợi đốt và đèn halogen Với dải công suất cao từ 250W đến 1000W, loại dimmer này không phù hợp cho đèn LED có công suất thấp.
Hình 2.3 Dạng Sóng Của Bộ Điều Chỉnh Sóng Cạnh Đầu
Trailing edge dimming (Bộ điều chỉnh độ sáng cạnh cuối)
Trailing edge dimming, hay còn gọi là dimmer tương thích với đèn LED, được thiết kế đặc biệt cho bóng đèn LED nhờ vào những đặc điểm tương đồng, như dãy công suất tương đương Loại dimmer này yêu cầu công suất thấp, rất phù hợp cho các bóng đèn LED có công suất nhỏ.
Hình 2.4 Dạng Sóng Của Bộ Điều Chỉnh Sóng Cạnh Cuối
Hình 2.5 Sóng sin và Leading edge dimmer và Trailing edge dimming
Dimmer vạn năng được sử dụng để điều khiển đèn halogen, đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang compact và đèn LED.
Loại dimmer này cho phép bạn điều chỉnh độ sáng tối đa của đèn mà không gây hiện tượng nhấp nháy Tuy nhiên, khi sử dụng với đèn huỳnh quang compact và đèn LED, cần kiểm tra xem đèn có tính năng dimmable hay không.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.6 Dimer vạn năng điều khiển đèn
Dimmer cho đèn sợi đốt và đèn halogen
Loại dimmer này được thiết kế đặc biệt để điều chỉnh độ sáng cho đèn sợi đốt và đèn halogen Tuy nhiên, nó không nên được sử dụng cho đèn huỳnh quang compact và đèn LED do hiệu suất kém.
Hình 2.7 Dimmer cho đèn cho đèn sợi đốt và đèn halogen
Loại này sử dụng để điều khiển độ sáng đèn huỳnh quang
Hình 2.8 Dimer dành cho đèn huỳnh quang
Dimmer ELV là thiết bị lý tưởng để điều khiển máy biến áp điện áp thấp và nguồn đèn LED, bao gồm đèn LED dây và đèn tracklight Để lắp đặt dimmer ELV, cần phải có một dây trung tính.
Dimmer từ tính điện áp thấp MLV
Loại này sử dụng cho đèn âm tường có từ tính và điện áp thấp MLV thường nặng hơn và lớn hơn ELV.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.10 Công tắc điều chỉnh độ sáng 3 chiều 1 pk TGCL-153PH-LA
Loại điều khiển này được thiết kế để điều chỉnh độ sáng cho đèn công suất cao, đặc biệt là đèn 1000W Nếu bạn sở hữu đèn có công suất từ 600W trở lên, đây là lựa chọn phù hợp nhất cho bạn.
Hình 2.11 Dimmer AC 220V 6000W Ứng dụng mạch Dimmer AC:
Điều chỉnh độ sáng của bóng đèn sợi đốt hoặc đèn halogen không chỉ giúp kiểm soát ánh sáng mà còn điều chỉnh nhiệt lượng tỏa ra, rất hữu ích trong việc sưởi ấm chăn nuôi và sấy thực phẩm.
Điều chỉnh thanh gia nhiệt (hay còn gọi là trở nhiệt) của các lò sấy Điều chỉnh nhiệt độ của nước nồi phở, nồi hấp.
Điều chỉnh tốc độ của động cơ quạt, khoan pin và các động cơ AC công suất nhỏ có thể được thực hiện hiệu quả bằng mạch Dimmer AC Ví dụ, khi bạn bật quạt ở chế độ thấp nhất nhưng vẫn cảm thấy gió mạnh, việc sử dụng mạch Dimmer AC sẽ giúp giảm tốc độ quạt một cách dễ dàng.
Hình 2.12 Dimer Điều chỉnh độ sáng của đèn
Hình 2.13 Dimmer điều chỉnh tốc độ quạt
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.14 Dimmer được ứng dụng để thay đổi độ sáng đèn trong nông nghiệp
Kết luận, dimmer AC mang lại nhiều ưu điểm như thiết kế gọn nhẹ và giá thành hợp lý Tuy nhiên, việc sử dụng Triac để biến dạng sóng sin là nhược điểm chính Các tải thuần trở như đèn sợi đốt và trở nhiệt hoạt động hiệu quả nhờ vào tác dụng san đều giá trị trung bình Ngược lại, các tải cảm như động cơ sẽ gặp vấn đề, dẫn đến việc phát nóng hơn bình thường và tiêu tốn năng lượng cao hơn.
Trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý của DIAC (Diode cho dòng điện xoay chiều)
Hình 2.15 Ký hiệu của Diac
Hình 2.16 Cấu tạo của Diac
Cấu trúc của DIAC tương tự như bóng bán dẫn, nhưng có những điểm khác biệt quan trọng DIAC không có cực cơ sở, cả ba lớp đều có lượng pha tạp đồng nhất, và nó cho phép chuyển mạch đối xứng ở cả hai cực khi có điện áp áp dụng.
Khi điện áp chưa đạt đến mức tối thiểu, Diac sẽ không dẫn điện Tuy nhiên, khi điện áp vượt qua một ngưỡng nhất định, Diac sẽ cho phép dòng điện chạy mạnh mẽ Đặc biệt, Diac không phân biệt chiều dòng vào.
Diac sẽ bị đánh thủng khi hiệu điện thế vượt quá mức cho phép VBO, thường là 32V Khi điện áp thấp hơn mức này, Diac hoạt động như một cách điện và hầu như không dẫn điện.
Tiếp theo là nguyên lý của TRIAC
Triac là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song song ngược chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.
Triac được cấu tạo từ 5 lớp bán dẫn, hình thành nên cấu trúc P-N-P-N, cho phép nó dẫn dòng điện ở cả hai cực T1 và T2 Để điều khiển Triac, chỉ cần cung cấp một xung tín hiệu cho chân G của nó.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.17 Cấu tạo của Triac và ký hiệu
Triac là một giải pháp hiệu quả để đóng cắt điện AC, vượt trội hơn so với Relay trong nhiều ứng dụng tự động hóa Trong khi Relay có thể gây ra tia lửa điện và nhiễu cho các thiết bị khác, Triac với cấu tạo 3 chân (T1, T2, G) cho phép điều khiển nhanh chóng và chính xác hơn Để kích dẫn Triac, chỉ cần cung cấp dòng điện từ G qua T1 hoặc ngược lại, miễn là điện áp giữa T1 và G không bằng nhau, tạo ra sự chênh lệch điện áp cần thiết để dòng điện VG – VT1 không bằng 0V.
Nguyên lý hoạt động của mạch dimmer AC sử dụng Diac và Triac là sử dụng Diac để kích hoạt Triac, từ đó cắt xén điện áp ở các pha khác nhau theo dạng sóng hình Sin của dòng điện xoay chiều Quá trình này giúp giảm năng lượng cung cấp đến tải.
Biến trở và cấu tạo của biến trở
Biến trở là thiết bị điện có khả năng thay đổi điện trở theo ý muốn, được sử dụng để điều chỉnh hoạt động của mạch điện Điện trở của biến trở có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi chiều dài dây dẫn hoặc tác động từ các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng và bức xạ điện từ.
Ký hiệu của biến trở trong sơ đồ mạch điện có thể ở các dạng như sau:
Hình 2.18 Ký hiệu của biến trở
Cấu tạo của biến trở
Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
- Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn
- Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng.
Chân ngõ ra của biến trở có ba cực, trong đó hai cực cố định ở đầu điện trở và được làm bằng kim loại Cực còn lại là một cực di chuyển, thường được gọi là cần gạt Vị trí của cần gạt trên dải điện trở sẽ xác định giá trị của biến trở.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Nguyên lý hoạt động của biến trở chủ yếu dựa vào việc thay đổi điện trở thông qua các dây dẫn có chiều dài khác nhau Khi điều khiển các núm vặn trên thiết bị, vi mạch điều khiển sẽ tác động đến chiều dài dây dẫn, dẫn đến sự thay đổi điện trở trong mạch.
Trong thiết kế mạch điện tử, luôn tồn tại một khoảng sai số, do đó, biến trở được sử dụng để điều chỉnh mạch bằng cách phân áp và phân dòng Chẳng hạn, trong máy tăng âm, biến trở giúp thay đổi âm lượng, trong khi đó, trong hệ thống chiếu sáng, nó được dùng để điều chỉnh độ sáng của đèn.
Khái niệm điện trở là gì?
Điện trở, hay còn gọi là Resistor, là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm kết nối Chức năng chính của điện trở bao gồm điều chỉnh mức độ tín hiệu và hạn chế cường độ dòng điện trong mạch Ngoài ra, điện trở còn được sử dụng để chia điện áp thành các phần nhỏ, giúp kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động Nó cũng đóng vai trò là một tiếp điểm cuối trong đường truyền điện.
Hình 2.20 Các loại điện trở
Theo định luật Ohm, điện áp V qua một điện trở tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I, và tỷ lệ này được xác định bởi hằng số điện trở R.
Công thức của định luật Ohm được tính: V=I*R
Khi một điện trở 400Ω được kết nối với nguồn điện áp một chiều 14V, cường độ dòng điện qua điện trở sẽ là 0.035 Amperes Trong mạch điện xoay chiều, điện trở thực tế còn chịu ảnh hưởng của điện cảm và điện dung, gây tác động tiêu cực đến mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện.
Tụ điện là gì? cấu tạo, công dụng
Tụ điện, hay còn gọi là capacitor trong tiếng Anh, là một linh kiện điện tử thụ động Nó được cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song, được ngăn cách bởi một lớp điện môi Tụ điện có tính chất cách điện, giúp lưu trữ năng lượng điện.
1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp.
Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu là C.
Hình 2.21 Ký hiệu của tụ điệnHình dáng thực tế của tụ điện
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Hình 2.23 Tụ hóa Cấu tạo của tụ điện
Tụ điện được cấu tạo từ ít nhất hai dây dẫn điện, thường là các tấm kim loại, được đặt song song với nhau Giữa hai bề mặt này có một lớp điện môi ngăn cách, giúp tụ điện hoạt động hiệu quả.
Hình 2.24 Cấu tạo của tụ điện
Dây dẫn của tụ điện có thể được làm từ các vật liệu như giấy bạc hoặc màng mỏng Các điện môi sử dụng cho tụ điện bao gồm những chất không dẫn điện như thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí Những điện môi này giúp tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện nhờ vào tính chất không dẫn điện của chúng.
Nguyên lý hoạt động của tụ điện
Hình 2.25 Nguyên lý nạp xả của tụ điện
Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng điện trường bằng cách tích trữ electron và phóng ra điện tích để tạo ra dòng điện Tính chất phóng nạp này cho phép tụ điện dẫn điện xoay chiều hiệu quả.
Khi điện áp giữa hai bản mạch biến thiên từ từ trong quá trình nạp hoặc xả tụ điện, hiện tượng nổ và tia lửa điện có thể xảy ra do dòng điện tăng vọt Đây là nguyên lý nạp xả tụ điện phổ biến.
Chương 2 Cở sở lý thuyết
Mạch chỉnh lưu nửa sóng (dương)
Trong giai đoạn nửa chu kỳ tiêu cực của nguồn cung cấp, điốt D3 và D4 hoạt động theo chế độ nối tiếp, trong khi điốt D1 và D2 chuyển sang trạng thái tắt do bị phân cực ngược Mặc dù vậy, dòng điện chạy qua tải vẫn giữ nguyên hướng như trước.
Mạch chỉnh lưu nửa sóng (âm)
Khi dòng điện chạy qua tải là một chiều, điện áp trên tải cũng sẽ là một chiều tương tự như bộ chỉnh lưu toàn sóng hai diode Do đó, điện áp DC trung bình trên tải đạt tối đa 0,637V.
Hình 2.26 Dạng Sóng Khi Qua Chỉnh Lưu
ỨNG DỤNG DIMMER TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN AC
Mạch nguyên lý Dimmer
…Mạch nguyên lý Dimmer điều kiển tải AC
Hình 3.1 Mạch nguyên lý dimmer điều khiển đèn ac
Linh kiện, thành phần sử dụng chính trong mạch :
J1-J2 (L-N) : Nguồn điện xoay chiều AC ~ 220VAC/50Hz.
DUT hay AC Load : Tải xoay chiều Công suất của tải phải bé hơn công suất Triac U1 BTA41-600B.
C1 : Tụ kẹo hoặc tụ không phân cực loại 0.1uF/275V.
D : Diac DB3, một dạng Diode AC dẫn dòng được cả 2 chiều.
Diode chỉnh lưu BR1: cầu DB107 1A 1000V DIP4 bao gồm 4 diode trong một gói duy nhất với 4 chân, được thiết kế bằng vỏ nhôm giúp tản nhiệt hiệu quả Thiết bị này được sử dụng để chuyển đổi điện áp từ AC sang DC.
Mạch Dimmer hoạt động dựa trên nguyên lý cắt góc pha điện áp đầu vào sóng hình Sin Góc cắt pha điện áp ra tải tại Triac U1 được điều chỉnh thông qua biến trở VR và tụ điện C2 Hằng số thời gian của mạch được tính theo công thức t = RC, trong đó biến trở VR giúp điều chỉnh hằng số thời gian hoặc thời gian trễ để mở triac, từ đó kiểm soát góc cắt điện áp.
Triac BT1 được kích hoạt khi có điện áp một chiều vào chân điều khiển G Mạch một chiều bao gồm D2, R4, VR, C2 và BR1 Mỗi khi điện áp đường dây thay đổi cực tính, điện áp trên C1 sẽ bị trễ và có cực tính ngược lại Để nhanh chóng giảm điện áp C1 về 0 volt, dòng điện phân cực qua R4 hoặc R5 sẽ giúp phóng điện C1 Khi điện áp C1 về 0, nó sẽ bắt đầu tích điện theo đúng cực tính trong nửa chu kỳ đó Lưu ý rằng mạch này chỉ có khả năng phóng điện C1, không thể sạc C1 do các điốt của BR1 ngăn cản dòng điện phân cực tới mạch chung.
Mạch chống cháy cho TRIAC, hay còn gọi là mạch snubber bảo vệ TRIAC (R1, C1), được sử dụng để đóng mở tải cảm (inductive load) như động cơ Khi tải cảm bị ngắt điện đột ngột, điện áp có thể tăng cao theo công thức U=Ldi/dt, gây nguy hiểm cho TRIAC Do đó, việc sử dụng tụ điện để tạo dao động và điện trở để tiêu tán năng lượng của cuộn dây là cần thiết nhằm bảo vệ thiết bị.
Trong nửa chu kỳ đầu của tín hiệu (0 - 180 độ), tụ C2 được nạp qua điện trở R4 và biến trở VR, tạo thành hằng số thời gian nạp RC, cùng với chỉnh lưu BR1 Khi tụ nạp đầy, nó phóng điện qua Diac D1, kích mở chân G của Triac U1 Lúc này, điện áp chân G và chân A1 của Triac là dương, cho phép Triac U1 dẫn dòng điện từ nguồn qua chân A1 đến A2 Thời gian trễ kích mở Triac do VR và C2 tạo ra, xác định góc cắt pha điện áp Khi kết thúc chu kỳ đầu tại điểm 0, Triac sẽ đóng hoàn toàn (Triac Off) Trong nửa chu kỳ tiếp theo, khi nguồn AC đảo dấu, quá trình tương tự diễn ra; góc cắt pha điện áp cũng được tạo bởi VR và C2 Điện áp chân G và chân A2 của Triac lớn hơn điện áp A1, cho phép Triac dẫn dòng từ A2 đến A1 qua tải về nguồn Khi kết thúc chu kỳ âm tại điểm 0, Triac lại đóng hoàn toàn (Triac Off) và bắt đầu một chu kỳ mới.
Chu kỳ đó cứ được lập đi lập lại Khi đó dạng sóng điện áp trên tải dạng được cắt xén như hình vẽ dưới (đường nét đứt).
Hình 3 2 Dạng sóng của dimmer
Với mạch này chúng ta có thể điều khiển góc mở của Triac từ 0 đến 180 độ tương ứng với điện áp từ 0V đến 220VAC (điện áp nguồn).
SƠ ĐỒ KẾT NỐI MẠCH DIMMER AC 4000W
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối của dimmer
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Những kết quả đạt được
Sau quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả quan trọng, bao gồm phân tích chức năng và nguyên lý hoạt động của các linh kiện trong mạch, cùng với việc hiểu rõ các ứng dụng thực tiễn của dimmer.
Rèn luyện tác phong làm việc nhóm
Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài
Nhờ vào trang thiết bị hiện đại của nhà trường, nhóm đã dễ dàng tìm kiếm tài liệu trên mạng và thực hiện thiết kế, thi công Chúng tôi cũng nhận được sự hướng dẫn tận tình từ Th.s Huỳnh Đức Chấn trong suốt quá trình này.
Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn.
Nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu (khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm còn hạn chế với những tài liệu nước ngoài).
Mất nhiều thời gian trong quá trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu.
4.3 Kết luận Đề tài là một bài tập lớn giúp nhóm hoàn thiện hơn về mặt kiến thức ở trường và ngoài thực tế Nâng cao sự tìm kiếm tài liệu nghiên cứu và học hỏi của bản thân. Trong quá trình làm đề tài nhóm còn nhiều khó khăn và thiếu sót Nhóm rất mong sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô.
Nhóm xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ điện – Điện tử, đặc biệt là thầy Th.s Huỳnh Đức Chấn, người đã tận tình hướng dẫn chúng em hoàn thành đề tài này Chúng em đã tìm hiểu về mạch dimmer và cách điều khiển tải AC, cùng với các nguyên lý hoạt động của triac và diac Những kiến thức này rất quý giá và giúp chúng em hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như ứng dụng của dimmer trong thực tiễn.
Hình 2 2 Mạch dimmer cơ bản sử dụng Diac và Triac 6
Hình 2 3 Dạng Sóng Của Bộ Điều Chỉnh Sóng Cạnh Đầu 6
Hình 2 4 Dạng Sóng Của Bộ Điều Chỉnh Sóng Cạnh Cuối 7
Hình 2 5 Sóng sin và Leading edge dimmer và Trailing edge dimming 7
Hình 2 6 Dimer vạn năng điều khiển đèn 8
Hình 2 7 Dimmer cho đèn cho đèn sợi đốt và đèn halogen 8
Hình 2 8 Dimer dành cho đèn huỳnh quang 9
Hình 2 10 Công tắc điều chỉnh độ sáng 3 chiều 1 pk TGCL-153PH-LA 10
Hình 2 12 Dimer Điều chỉnh độ sáng của đèn 11
Hình 2 13 Dimmer điều chỉnh tốc độ quạt 11
Hình 2 14 Dimmer được ứng dụng để thay đổi độ sáng đèn trong nông nghiệp 12
Hình 2 15 Ký hiệu của Diac 12
Hình 2 16 Cấu tạo của Diac 13
Hình 2 17 Cấu tạo của Triac và ký hiệu 14
Hình 2 18 Ký hiệu của biến trở 15
Hình 2 19 Cấu tạo bên trong của biến trở 15
Hình 2 20 Các loại điện trở 16
Hình 2 21 Ký hiệu của tụ điện 17
Hình 2 24 Cấu tạo của tụ điện 18
Hình 2 25 Nguyên lý nạp xả của tụ điện 19
Hình 3 1 Mạch nguyên lý dimmer điều khiển đèn ac 21
Hình 3 2 Dạng sóng của dimmer 23
Hình 3 3 Sơ đồ kết nối của dimmer 25