Giáo trình điện tử công nghiệp - Chương 1: Cảm biến / Công tắc không tiếp điểm potx

Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như bảng 1.1 sau: Bảng 1.1: Cảm biến và 5 giác quan con người Ánh sáng/ hình dạng/ kích thước/ vị trí/xa gần/mà

Theo xu hướng phát triển của nền khoa học kỹ thuật hiện đại, nhiều thành tựu mới trong kỹ thuật điện tử, điện tử số… đã được ứng dụng rộng khắp trong các lĩnh vực công nghiệp Nước ta đã và sẽ nhập nhiều các máy móc, thiết bị rất hiện đại nên đòi hỏi người kỹ sư phải có các kiến thức tiên tiến, không ngừng nâng cao trình độ … mới có thể nắm bắt, xử lý được các công nghệ hiện đại trên Do vậy, nếu trước đây môn học Điện tử công nghiệp chỉ là một môn học trong chương trình học của khối kỹ thuật thì nay đã phát triển rất nhanh và trở thành một chuyên ngành trong các trường đại học và trung học chuyên nghiệp Cụ thể tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, môn học này đã trở nên một trong nhiều chuyên ngành mà sinh viên ngành điện tử phải chọn khi thi vào trường

Các môn học tiên quyết của môn học này là: Kỹ thuật điện đại cương, Kỹ thuật điện tử … nói chung là các môn cơ bản của chuyên ngành điện – điện tử Do đây là bài giảng về Điện tử công nghiệp dành riêng cho sinh viên đại học các ngành không chuyên điện nên nội dung biên soạn trong giáo trình chủ yếu mang tính định tính, ít định lượng Mong muốn sao cho các sinh viên không chuyên điện hiểu được các vấn đề cơ bản về Điện tử công nghiệp để sau này ứng dụng vào công việc thực tiễn tại các nhà máy xí nghiệp Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn về chuyên ngành này, có thể tham khảo giáo trình Điện tử công nghiệp dành cho sinh viên chuyên ngành Điện tử

sẽ ra mắt bạn đọc sau giáo trình này trong một khoảng thời gian không xa Mặc dù vậy nhưng nội dung vẫn khá đầy đủ các ý chính của môn học Điện tử công nghiệp như với sinh viên chuyên điện (chỉ thiếu phần AVR máy phát điện đồng bộ) Điểm khác cơ bản là nội dung được trình bày trong giáo trình này chỉ mang tính giới thiệu nguyên lý hoạt động, cơ sở lý luận và các ứng dụng thực tiễn không đi vào các thiết kế chuyên sâu Cụ thể bài giảng được phân thành các chương như sau:

- Chương 1: Cảm biến / Công tắc không tiếp điểm

- Chương 2: Gia nhiệt trong công nghiệp, máy hàn điện trở

- Chương 3: Điều khiển theo chương trình - PLC

- Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ điện

Mỗi chương trong tài liệu đều được trình bày từ dễ đến khó, từ thấp đến cao, luôn coi trọng các khái niệm, định nghĩa cùng các ứng dụng thực tiễn, giúp người đọc

dễ dàng tiếp cận với các công nghệ mới ứng dụng điện tử công nghiệp Sau mỗi chương

Để nâng cao tính tích cực vận động trong sinh viên, trong bài giảng này người viết đã đưa thêm vào chương 4 việc dạy và học ứng dụng truyền thông đa phương tiện (Multimedia) qua giáo trình điện tử: “Thực hành lập trình vi điều khiển / vi xử lý ứng dụng truyền thông đa phương tiện” của cùng tác giả Có thể nói việc “thầy dạy bằng đa phương tiện, trò học bằng đa giác quan” sẽ làm tăng khối lượng kiến thức truyền đạt trong khi số giờ lên lớp không thay đổi Nghĩa là ngoài bài giảng truyền thống còn có tài liệu điện tử dạng truyền thông đa phương tiện đi kèm giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức theo đúng qui luật nhận thức: “từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng” Sắp tới đây chúng tôi sẽ giới thiệu một tài liệu về Điện tử Công nghiệp dạng truyền thông đa phương tiện dành riêng cho sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử (nội dung sẽ kết hợp với các ví dụ mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng) Với tài liệu tham khảo này, các chuyên đề trong lĩnh vực Điện tử công nghiệp sẽ được trình bày một cách chi tiết hơn

Mặc dù đã làm việc với một tinh thần khẩn trương và trách nhiệm, song do thời gian và trình độ có hạn chắc chắn tập bài giảng điện tử không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ độc giả để có thể hoàn chỉnh tập bài giảng trong lần tái bản sau Mọi đóng góp xin gửi về Bộ môn Điện tử công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố

Hồ Chí Minh

T.p Hồ Chí Minh, tháng 10/2010

Tác giả

MỤC LỤC

Chương 1:

1.1 Khái niệm cơ bản

1.2 Cảm biến quang………

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 1.2.2 Các linh kiện quang điện thông dụng

1.2.2.1 Điện trở quang 1.2.2.2 Diode quang 1.2.2.3 Transistor quang 1.2.2.4 Diode phát quang 1.2.2.5 Ghép quang 1.2.2.6 Pin mặt trời 1.2.2.7 Cáp quang (tơ quang dẫn) 1.2.3 Mạch điện điển hình

1.3 Cảm biến nhiệt……….

1.3.1 Các linh kiện nhiệt thông dụng

1.3.1.1 Điện trở nhiệt Nickel, Platin 1.3.1.2 Điện trở nhiệt PTR và NTR 1.3.1.3 Cặp nhiệt điện

1.3.1.4 Vi mạch cảm biến nhiệt (LM 35) 1.3.2 Mạch điện điển hình

1.4 Cảm biến từ………

1.4.1 Khái niệm cơ bản 1.4.2 Cảm biến HALL

1.4.2.1 Hiệu ứng Hall 1.4.2.2 Cấu trúc của cảm biến Hall 1.4.2.3 Ứng dụng của cảm biến Hall 1.5 Một số dạng cảm biến thông dụng………

1.5.1 Mạch nhận biết sự dịch chuyển 1.5.2 Mạch đếm

1.6 Một số mạch điện cảm biến thông dụng………

1.6.1 Cảm biến từ 1.6.2 Cảm biến mực nước 1.6.3 Cảm biến thu – phát hồng ngoại 1.6.4 Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification)

2.2.1 Khái niệm cơ bản 2.2.2 Sơ đồ khống chế lò 2.3 Lò cảm ứng………

2.3.1 Khái niệm cơ bản 2.3.2 Sơ đồ khống chế lò 2.4 Giới thiệu máy hàn tiếp xúc………

2.4.1 Giới thiệu – nguyên lý làm việc 2.4.2 Chu kỳ làm việc của máy hàn điểm 2.4.3 Mạch điện máy hàn tiếp xúc điển hình

3.1.3 Giới thiệu thiết bị điều khiển theo chương trình-PLC

3.2 Cấu trúc phần cứng của PLC………

3.2.1 Bộ xử lý trung tâm 3.2.2 Bộ nhớ

3.2.3 Khối vào / ra 3.2.4 Thiết bị lập trình 3.3 Cơ chế hoạt động PLC………

3.4 Lập trình trên PLC………

3.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình

3.4.1.1 Các lệnh cơ bản 3.4.1.2 Các ví dụ minh hoạ 3.4.2 Các bài toán điển hình

3.4.2.1 Điều khiển động cơ có bảo vệ điểm không 3.4.2.2 Điều khiển đảo chiều quay động cơ

3.5 Những ứng dụng của PLC trong công nghiệp………

3.5.1 Điều khiển robot 3.5.2 Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufaturing System-FMS) 3.5.3 Điều khiển quá trình

3.5.4 Truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bị tự động

Chương 4:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4.1 Khái niệm cơ bản

4.2 Giới thiệu các động cơ điện thông dụng………

4.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập / song song 4.2.2 Động cơ điện vạn năng

4.2.3 Động cơ điện một chiều không chổi than 4.2.4 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha 4.2.5 Động cơ bước

4.3 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập………

4.3.1 Nguyên tắc điều khiển 4.3.2 Mạch điện điển hình 4.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện vạn năng………

4.4.2 Mạch điện điển hình 4.5 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không chổi than

4.5.1 Nguyên tắc điều khiển 4.5.2 Mạch điện điển hình 4.6 Điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha

4.6.1 Nguyên tắc điều khiển 4.6.2 Phương pháp điều chế theo bề rộng xung 4.6.3 Phương pháp điều khiển sáu bước

4.6.4 Phương pháp điều chế vector không gian 4.7 Điều khiển tốc độ động cơ bước……….

4.7.1 Nguyên tắc điều khiển 4.7.2 Mạch điện điển hình 4.8 Ứng dụng vi xử lý/vi điều khiển trong điều khiển tốc độ động cơ

4.8.1 Kiến thức cơ bản 4.8.2 Giới thiệu cách sử dụng tài liệu điện tử 4.8.3 Các bài toán minh hoạ

4.8.4 Các bài tập củng cố

Chương 1

CẢM BIẾN / CÔNG-TẮC KHÔNG TIẾP ĐIỂM

Chương này giới thiệu về các hệ thống cảm biến sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Ta sẽ

khảo sát bằng cách nào hệ thống máy móc thiết bị trong công nghiệp có thể hiểu và xử lý

được các tín hiệu tự nhiên, đa phần là các tín hiệu không điện

1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các

giác quan trong cơ thể con người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu

nhận thông tin từ bên ngoài Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể hiển thị

thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình hoạt động theo một chương

trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động

Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như

bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1: Cảm biến và 5 giác quan con người

Ánh sáng/ hình dạng/ kích thước/

vị trí/xa gần/màu sắc Áp suất/ nhiệt độ/ cơn đau/ tiếp xúc/ tiệm cận/ ẩm/ khô

Ngọt/ nóng/ chua/ cay/ mặn/ béo Aâm trầm/ âm bổng/ sóng âm/ âm lượng

Mùi của các chất khí/ chất lỏng

Camera thu hình Cảm biến quang Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động

Đo lượng đường trong máu

Mi-crô, cảm biến sóng siêu âm

Đo độ cồn/ thiết bị cảm nhận khí gas

Do cảm biến rất đa dạng nên có thể phân loại cảm biến theo nhiều cách khác nhau

như: dạng tín hiệu ngõ vào cảm biến; nguyên lý cảm biến: cảm biến tích cực, cảm biến thụ

động; tính chất cảm biến: cảm biến cơ, cảm biến điện … Thông thường người ta phân chia

cảm biến theo dạng tín hiệu ngõ vào mà bộ cảm biến sẽ chuyển đổi Với cách phân chia này,

có thể phân chia cảm biến theo các dạng như sau: cảm biến quang; cảm biến nhiệt; cảm

biến từ (từ trường); cảm biến âm thanh; cảm biến độ ẩm, cảm biến cơ, cảm biến tốc độ, cảm

biến lưu lượng dòng chảy … Minh hoạ trên hình 1.1

Tín hiệu/ Dữ liệu ngõ ra

Dò tìm/

Chuyển đổi

Thay đổi của môi trường

Hình 1.1: Minh hoạ chức năng của cảm biến

CẢM BIẾN

Khối lượng

Vị trí Ánh sáng

Nhiệt ngẫu

Điện trở gia nhiệt

đây rồi!

À! Cảm biến Phần tử

đĩng cắt

Mạch điều khiển

Hình 1.2: Cấu tạo một lò sấy sử dụng mạch điều khiển nhiệt đo

Có thể minh hoạ hình ảnh của một bộ công tắc không tiếp điểm dùng trong một lò sấy như hình 1.2 Trong lò có điện trở gia nhiệt nhằm cấp nhiệt cho lò, giúp lò luôn có nhiệt độ ổn định trong mức đặt trước Tần suất đóng cắt của điện trở này tuỳ thuộc vào bộ điều khiển nhiệt độ điều tiết phần tử đóng cắt điện cho điện trở Tín hiệu ngõ vào của bộ điều khiển nhiệt độ được lấy ngay trên nhiệt độ lò thông qua nhiệt ngẫu Rõ ràng tại nhiệt ngẫu không hề có một tiếp điểm cơ khí nào nhưng điện trở vẫn được đóng cắt nguồn điện cung cấp để duy trì nhiệt độ lò luôn ở một mức định trước Do vậy, người ta còn gọi hệ này là công tắc không tiếp điểm

Nếu như vài thập niên trước đây, thuật ngữ “ngôi nhà thông minh” chỉ có trong phim

viễn tưởng hay trí tưởng tượng của con người thì nay những điều tưởng tượng đó đã trở thành

hiện thực! Đóng góp rất lớn trong việc kiến tạo nên các ngôi nhà thông minh đó phải kể đến

vai trò của các cảm biến

Mặc dù chi phí đầu tư cho thiết kế và chế tạo cảm biến rất cao nhưng do tầm quan

trọng của cảm biến trong thực tiễn sinh hoạt, sản xuất … người ta vẫn tiếp tục không ngừng

đầu tư cho lĩnh vực này Do vậy mà chủng loại cũng như chất lượng của cảm biến liên tục

phát triển Sau đây sẽ giới thiệu là một số cảm biến thông dụng

1.2 CẢM BIẾN QUANG

Đây là thiết bị cảm nhận tín hiệu ánh sáng, biến chúng thành tín hiệu điện giúp

mạch điện xử lý tốt các tình huống trong thực tế Ánh sáng ở đây phải được hiểu là ánh sáng

với một dãy tần số rất rộng mà trong đó ánh sáng thấy được chỉ nằm trong một dãy tần số

khá hẹp Minh hoạ qua hình 1.3 Phổ ánh sáng thấy được có bước sóng từ 400nm đến

700nm Bước sóng ngắn hơn có tia cực tím (ultra-violet) và tia X, bước sóng dài hơn có hồng

ngoại (infra-red) Trong hình này cũng trình bày chi tiết các phổ màu của các LED đang sử

dụng phổ biến

Hình 1.3: Phổ ánh sáng

X-RAY ULTRA-VIOLET VISIBLE NEAR-INFRARED MID-INFRARED FAR-INFRARED

1nm 400 nm 3 μ m 30 μ m

Visible Blue LEDs Visible Red LEDs InfraRed LEDs

Visible Green LEDs

Linh kiện sử dụng trong cảm biến quang rất phong phú về chủng loại cũng như hình

dạng Ở đây chỉ giới thiệu về các linh kiện quang điện tử Các linh kiện điện tử sử dụng trong

cảm biến này chủ yếu làm việc theo hiệu ứng quang điện

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Ở đây chỉ trình bày các ý chính trong hiệu ứng quang điện giúp sinh viên dễ dàng

nắm bắt nội dung các phần sau Hiệu ứng quang điện có thể chia thành hai loại: hiệu ứng

quang dẫn và hiệu ứng quang nối

1.2.1.1 Hiệu ứng quang dẫn

Khi vật dẫn điện được ánh sáng rọi vào thì độ dẫn điện của nó sẽ thay đổi Hướng

thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu cấu thành Ví dụ: khi rọi sáng chất bán dẫn sẽ

làm gia tăng các hạt tải điện đa số (lỗ và điện tử), do đó tăng tính dẫn điện cho khối bán

dẫn này, trong khi đó cũng làm như trên cho kim loại hay hợp kim thì lại làm giảm độ dẫn

điện của vật dẫn

1.2.1.1 Hiệu ứng quang nối

Một mối nối P-N khi được rọi sáng sẽ phát ra một sức điện động Sức điện động này

tỉ lệ với cường độ ánh sáng rọi vào mối nối và có giá trị ngưỡng tuỳ thuộc vào vật liệu cấu thành nên mối nối (Silicium hay Germanium)

1.2.2 Các linh kiện quang điện thông dụng

1.2.2.1 Quang trở (Photo Resistor)

Quang trở còn được gọi là điện trở có giá trị tuỳ thuộc vào ánh sáng LDR (Light Dependent Resistor) là linh kiện có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào Ký hiệu như hình 1.4 Nguyên tắc làm việc dựa trên hiệu ứng quang dẫn: độ dẫn điện trên quang trở tuỳ thuộc vào ánh sáng rọi trên nó Minh hoạ qua đặc tuyến trên hình 1.4:

Ký hiệu

Hình 1.4: Ký hiệu và đặc tuyến quang trở

1.2.2.2 Diode quang (Photo Diode)

Diode quang làm việc dựa trên hiệu ứng quang dẫn Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp P-N làm việc

ở chế độ phân cực nghịch, do đó ở điều kiện bình thường linh kiện gần như không dẫn điện Khi ánh sáng rọi vào kích thích các lỗ và điện tử bứt khỏi mạng liên kết, gia tăng hạt tải điện

đa số dẫn đến thay đổi đáng kể giá trị dòng điện ngược chạy qua diode Ký hiệu và đặc tuyến làm việc trên hình 1.5

R

Hình 1.5: Ký hiệu và đặc tuyến quang diode

1.2.2.3 Transistor quang (Photo Transistor)

Vẫn có 3 lớp bán dẫn như các BJT thông thường nhưng cực B hở mạch Người ta thay đổi dòng IC bằng cách thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào (thay vì điều khiển dòng IB để khống chế IC như các BJT bình thường khác) Ký hiệu và đặc tính volt-amper của một phototransistor điển hình như hình 1.6:

E

Ф1> Ф2 > Ф3 > Ф4

C

Hình 1.6: Ký hiệu và đặc tuyến quang transistor

Qua đặc tuyến ta nhận thấy vai trò của cường độ ánh sáng rọi vào tương tự như vai

trò của IB Do đó độ dẫn điện giữa C và E tuỳ thuộc vào cường độ rọi sáng trên miền B

Cường độ rọi sáng càng lớn thì mật độ bức xạ các hạt điện tử và lỗ trống càng mạnh khiến

cho dòng qua hai cực C và E càng dễ dàng hoặc ngược lại

1.2.2.4 Diode phát quang (Light Emitting Diode: LED)

Hình 1.7 : Ký hiệu LED

Cấu tạo từ một mối nối P-N có cấu tạo đặc biệt sao cho khi có dòng điện phân cực thuận chảy qua, LED sẽ phát

ra ánh sáng Tuỳ vào vật liệu chế tạo mà ánh sáng phát ra có tần số khác nhau Ví dụ LED chế tạo từ GaAs sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại; từ GaAsP (có phosphor) sẽ phát ra ánh sáng đỏ hay vàng …

LED có tần số đóng cắt, hiệu suất phát sáng và tuổi thọ rất cao; màu sắc phát ra rất đa dạng như xanh, lục, vàng, đỏ, phổ tần số phát rộng, giá thành thấp… Chính vì các lý do này LED đã trở thành một linh kiện hiển thị thông dụng nhất hiện nay cho các thiết bị điện - điện tử

1.2.2.5 Ghép quang (Optron/Opto Coupleur)

Ghép quang dạng đơn giản nhất bao gồm một LED và một photo transistor, photo

TRIAC … được ghép vào chung một vỏ Môi trường nằm giữa chúng là môi trường truyền ánh

sáng, cấu tạo xem trên hình 1.8 Khi dòng chảy qua LED, photo transistor dẫn dòng nối tắt

hai chân C và E, ngược lại C và E hở mạch

Do môi trường truyền dẫn ánh sáng có khả năng cách điện rất cao nên optron có khả

năng cách ly rất tốt về điện giữa mạch điều khiển (điều khiển LED) và mạch động lực (chứa

photo transistor)

Để thuận tiện hơn cho việc điều khiển thiết bị, người ta còn chế tạo các optron SCR,

Triac … (thay thế photo transistor bởi SCR, Triac …)

Hình 1.8 : cấu tạo một optron transistor đơn giản

1.2.2.6 Pin quang điện (Photo Cell)

Pin quang điện hay còn gọi là tế bào quang điện ký hiệu trên hình 1.9 a, làm việc dựa trên hiệu ứng quang nối Khi mối nối P-N của pin quang điện được chiếu sáng sẽ xuất hiện trên nó một sức điện động VФ Sức điện động này có giá trị thay đổi theo cường độ rọi sáng trên nó và có giá trị trung bình tuỳ thuộc vào vật liệu cấu thành nên mối nối (Silicium hay Germanium)

Hình 1.9: Pin mặt trời

a) Ký hiệu b) Ghép nối hỗn hợp Tuỳ vào cấu tạo mà pin quang điện có các tính chất khác nhau Ví dụ khi được chế tạo làm linh kiện thu nhận ánh sáng (cảm biến quang) thì người ta quan tâm đến thông số mức ánh sáng ngưỡng, phổ ánh sáng tác động, trong khi chế tạo làm pin mặt trời người ta lại quan tâm đến sức điện động quang VФ ; dòng điện cung cấp ra tải IФ ; hiệu suất của quá trình biến đổi năng lượng từ quang sang điện …

Để có được các bộ nguồn cấp điện từ ánh sáng mặt trời, người ta thường chế tạo nhiều pin quang điện không đóng vỏ thành từng linh kiện rời mà ghép nối hỗn hợp với nhau trên một diện tích rộng để tiện cho việc tiếp nhận ánh sáng, tăng dòng và áp phát ra phù hợp với yêu cầu đặt ra từ phụ tải (hình 1.9b)

1.2.1.6 Cáp quang

Những đòi hỏi ngày càng cao trong mạng thông tin luôn yêu cầu cao về khoảng cách và vận tốc đường truyền; những yêu cầu khắc nghiệt về nhiệt độ làm việc, độ ẩm, môi trường xung quanh là các chất lỏng … đã loại các dây dẫn bằng kim loại ra khỏi một số ứng dụng và được thay thế bởi các dây dẫn quang học: cáp quang Cáp quang được chế tạo từ những sợi tơ quang dẫn

Tơ quang dẫn bằng thuỷ tinh là phương tiện truyền tin tốt nhất, nhưng giá thành quá cao nên vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Chủ yếu hiện nay sợi quang dẫn chủ yếu vẫn bằng chất dẻo tổng hợp

Các ưu điểm chính của cáp quang :

- Độ suy giảm tín hiệu thấp

- Nội dung tín hiệu truyền bảo đảm tuyệt mật

- Thay thế đồng - một kim loại ngày càng đắt đỏ Cụ thể 10g tơ quang dẫn có độ dẫn

tương đương 6 Kg đồng

- Có độ cách điện giữa nơi phát và thu cao (hàng nghìn volts)

- Không có hiệu ứng vòng đất

- Tín hiệu truyền trên tơ quang dẫn thích hợp với các linh kiện IC logic TTL, CMOS …

- Truyền tin bằng tơ quang dẫn không bị nhiễu và không có hiệu ứng « thời gian trễ »

như truyền bằng vệ tinh địa tĩnh

- Độ rộng băng thông rất lớn (đến 3000 GHz) Cho đến nay với cách truyền tin AM có

độ rộng băng thông chỉ 10 GHz

1.2.2 Mạch điện điển hình

Đây là mạch điện ứng dụng tốt trong việc tự động chiếu sáng cho cầu thang, hành

lang … , cụ thể đóng điện khi trời tối và cắt điện khi trời sáng Mạch có độ miễn nhiễu cao, ví

dụ khi trời tối nhưng mạch bị rọi sáng bởi ánh đèn pin cầm tay hoặc đèn xe ô tô quét qua thì

mạch vẫn không đổi trạng thái Sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 1.10 Tóm tắt nguyên lý

làm việc như sau:

- Khi môi trường xung quanh quang trở (LDR) còn sáng, điện trở LDR rất bé gần như

nối điện thế chân B của Q1 xuống 0V do đó Q1 , Q2 không dẫn Rơ le K mất điện

- Khi môi trường xung quanh quang trở (LDR) tối, điện trở LDR rất lớn, Dòng điện

phân cực chảy vào chân B của Q1 kích dẫn Q2 Rơ le K có điện Mạch đổi trạng thái

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ánh sáng

Các linh kiện phụ trợ khác: tụ C giảm nhiễu cho mạch khi độ sáng của môi trường

xung quanh có những thay đổi đột biến Biến trở VR chỉnh độ nhạy của mạch cảm biến

Diode D bảo vệ transistor quá dV/dt

1.3 CẢM BIẾN NHIỆT

Đây là thiết bị cảm nhận tín hiệu nhiệt, biến chúng thành tín hiệu điện giúp mạch

điện xử lý tốt các tình huống trong thực tế

Cũng như linh kiện quang điện, linh kiện nhiệt rất phong phú và đa dạng Ở đây chỉ

nêu một số các linh kiện điện tử thông dụng Tuỳ vào cấu tạo mà mỗi loại có một nguyên lý

làm việc riêng nhưng nói chung chúng đều có khả năng thay đổi tính chất điện khi điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi

1.3.1 Các linh kiện nhiệt

1.3.1.1 Nhiệt điện trở platin và nickel :

Dựa vào tính chất: độ dẫn điện của kim loại thay đổi theo nhiệt độ của môi trường làm việc, người ta chế tạo nên các nhiệt điện trở bằng platin hay nickel Giữa nhiệt độ và điện trở thường không có quan hệ tuyến tính Nó thường được diễn tả bởi một đa thức cấp cao:

Trong đó:

R0 là giá trị của điện trở nhiệt ở nhiệt độ T = 0

T2, T3, … là các phần tử được quan tâm nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ chính xác của phép đo

T là nhiệt độ môi trường

A, B, C, … là các hệ số tuỳ thuộc vật liệu

1.3.1.2 Nhiệt điện trở PTR và NTR:Dựa vào hệ số nhiệt điện trở, có thể phân điện trở nhiệt thành điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR (Positive Thermic Resistor) và điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (Negative Thermic Resisitor)

- Điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương (PTR) :

Điện trở này cấu tạo từ hỗn hợp Bariumcarbonat, oxit Stronium và oxit Titan được ép và nung ở nhiệt độ từ 1000 đến 1400o C, hình thành một cấu trúc như gốm, mẫn cảm với nhiệt độ … Trị số của PTR sẽ tăng khi nhiệt độ tăng: giá trị PTR đồng biến với nhiệt độ

- Điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (NTR) :

Điện trở này là một hỗn hợp đa tinh thể của nhiều oxít gốm đã được nung chảy ở nhiệt độ cao (1000o C đến 1400o C) như Fe2O3, Zn2TiO4, MgCrO4, TiO2 … Trị số của NTR sẽ giảm khi nhiệt độ tăng: giá trị NTR nghịch biến với nhiệt độ Một số NTR là bằng chất bán dẫn

1.3.1.3 Cặp nhiệt điện (Thermos coupler)

Khi nhiệt độ môi trường cần đo có giá trị quá lớn (trên 1000oC), độ bền cơ học của một số thiết bị cảm biến sẽ bị hỏng Lúc này người ta thường nghĩ đến cặp nhiệt điện, còn gọi là nhiệt ngẫu (Thermos coupler) Trên lý thuyết có rất nhiều dạng cặp nhiệt điện được sử dụng để đo nhiệt độ Nhưng trong thực tế một cặp nhiệt điện là hai dây kim loại (hoặc hợp kim) khác nhau được nối chung với nhau tại một đầu còn đầu kia được nối với máy đo Chính sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm cần đo với nhiệt độ của môi trường đặt cơ cấu đo hình thành một sức điện động (hình 1.11) Đo sức điện động này chính là đo nhiệt độ của điểm cần đo nhiệt độ

Trong thực tế cặp nhiệt điện này được ứng dụng rất rộng rãi vì tính đơn giản trong chế tạo và vận hành Chỉ cần hàn hai thanh hợp kim như trên dính lại ở một đầu ta đã có một cặp nhiệt làm việc ổn định

Mặc dù có nhiều bộ cảm biến nhiều thế hệ mới ra đời nhưng để cảm nhận và xử lý tín hiệu nhiệt độ cao người vẫn sử dụng cặp nhiệt điện này

Hình 1.11: Cấu tạo nhiệt ngẫu

Ngoài các dạng

linh kiện điện tử như trên,

trong công nghiệp người

ta còn sử dụng rất nhiều

dạng tiếp điểm nhiệt khác

như thanh lưỡng kim

Thanh lưỡng kim (Bimetal)

Tiếp điểm

1.3.1.4 Vi mạch cảm biến nhiệt

Trên thị trường đã có những vi mạch đo và cân chỉnh được giai đo rất thuận tiện

trong việc sử dụng Bên trong các vi mạch này thường có mối nối P-N, khi đo điện áp trên

mối nối này chính là đo nhiệt độ của môi trường Điển hình một trong các vi mạch đó là LM

35 (hãng National)

Vi mạch LM 35 có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ đo theo thang đo Celcius

(thang đo bách phân), rất thuật lợi để sử dụng làm mạch đo kiểm nhiệt độ ở nước ta (vì một

số IC cảm biến khác đo theo độ Kelvin, phải thiết kế thêm mạch bù trừ) Vi mạch trên hình

1.13 a có điện áp ngõ ra thay đổi 10 mV/oC ; điện áp nguồn cung cấp có thể thay đổi từ 4

đến 30 VDC

Để đo được nhiệt độ âm người ta dùng một điện trở « pull-down » giữa ngõ ra với

điện áp âm như hình 1.13 b Điện trở này được chọn sao cho dòng điện ngõ ra phải lớn hơn

50 μA Điện áp âm này phải lớn hơn mức điện thế ra thấp nhất Nếu chỉ có một nguồn dương

ta phải sử dụng loại vi mạch đo theo thang Kelvin, như LM 335 hay LM 334

Hình 1.13: Vi mạch cảm biến nhiệt LM 35

1.3.2 Mạch cảm biến nhiệt

Đây là mạch điện ứng dụng trong việc cảnh báo quá nhiệt hay thiếu nhiệt của môi trường cần theo dõi Mạch làm việc theo nguyên lý so sánh cửa sổ, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp (hình 1.14)

Hình 1.14 : Nguyên lý so sánh cửa sổ

Khi muốn khống chế nhiệt độ lò ở

40oC, người ta tiến hành như sau: từ nhiệt độ môi trường đang là 27oC, bắt đầu cấp nhiệt cho lò (điểm A)ø Nhiệt độ lò tăng dần vượt qua

36oC (điểm B), rồi qua 40oC mạch vẫn tiếp tục cấp nhiệt cho đến khi nhiệt độ của lò đến

44oC (điểm C), lò mới cắt điện trở gia nhiệt Nhiệt độ lò bắt đầu giảm dần từ 44oC (điểm D) Giảm qua 40oC vẫn tiếp tục giảm Cho đến

36oC (điểm E) thì lại tiếp tục cấp nhiệt cho lò (điểm B) nhiệt độ lò tăng dần lên

Rõ ràng để giữ nhiệt độ lò nằm trong khoảng 40oC, người ta cấp nhiệt cho lò theo chu trình B, C, D, E rồi trở lại B: hình dạng như một cửa sổ nên có tên là mạch so sánh cửa sổ (window comparator) Nguyên lý so sánh này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế

D

A

Sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 1.15 Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:

Điện trở nhiệt PTR phối hợp với R1 và R2 tạo ra Vs là một hàm biến thiên theo nhiệt độ môi trường đặt PTR Cụ thể :

21

)2.(

R PTR R

R PTR V

V s cc

++

+

Rõ ràng Vs = f(To) là một hàm của nhiệt độ Do đó, đo Vs chính là đo nhiệt độ Cụ thể các giá trị điện trở trong mạch được cân chỉnh để 2 OP-AMPS làm việc như sau :

* Khi thiếu nhiệt:

Lúc này VS < VA < VB, đầu vào v+ của op-amp II nhỏ hơn đầu vào v_ nên ngõ ra amp II xuống thấp, LED 2 sáng Trong khi đó đầu vào v+ của op-amp I lớn hơn đầu vào v_

op-nên ngõ ra op-amp I lên cao, LED 1 tắt

* Khi đủ nhiệt:

Lúc này VA < VS < VB, đầu vào v+ của op-amp II lớn hơn đầu vào v_ nên ngõ ra

op-amp II lên cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v+ của op-amp I lớn hơn đầu vào v_ nên ngõ

ra op-amp I lên cao, LED 1 tắt

* Khi quá nhiệt:

Lúc này VA < VB < VS, đầu vào v+ của op-amps II lớn hơn đầu vào v_ nên ngõ ra

op-amp II lên cao, LED 2 tắt Trong khi đó đầu vào v+ của op-amp I nhỏ hơn đầu vào v_ nên ngõ

ra op-amp I xuống thấp, LED 1 sáng

LED báo quá nhiệt

I

LED báo thiếu nhiệt

I

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt

Rõ ràng chỉ cần nhìn vào độ sáng tối của 2 LED, ta có thể nhận biết được nhiệt độ

của môi trường cần cảnh báo nhiệt độ Để mạch cảnh báo hiệu quả hơn có thể thêm vào một

mạch dao động, mạch này giúp khi có sự cố các LED sẽ không sáng liên tục mà nhấp nháy

1.4 CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG

1.4.1 Khái niệm cơ bản

Khi cho dòng điện vào một cuộn dây, môi trường đặt cuộn dây hình thành một từ

trường Từ trường này có cường độ điện trường:

Trong đó: I cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn

W số vòng dây quấn

l chiều dài tác dụng của cuộn dây

Ta thấy với cùng một cường độ điện trường H nhưng nếu ta đưa vào trong lòng cuộn

dây một lõi thép kỹ thuật điện như hình 1.16 thì cuộn dây trên sẽ thể hiện lực hút trên các

vật liệu dẫn từ khác mạnh hơn khi trong lòng cuộn dây chỉ là lõi không khí hay vật liệu

nghịch từ (như Al, Cu …) Nghĩa là khi nói về từ trường ta phải xét đến môi trường dẫn từ

cũng như sự phân bố vị trí các cực từ trong môi trường Cụ thể cần thiết phải quan tâm thêm

các thông số như từ thông Ф và cảm ứng từ B (mật độ từ thông)

Hình 1.16: Hình ảnh từ trường trong cuộn dây quấn quanh lõi thép kỹ thuật điện

Cảm biến từ có những loại rất đơn giản, ví dụ như bộ cảm biến trên hình 1.17a Bộ cảm biến này có khả năng nhận biết sự thay đổi vị trí của thanh sắt di động 1 Khi không có thanh sắt 1 làm kín mạch từ 2, từ thông trong lõi từ giảm, dẫn đến L giảm và XL cũng giảm theo Do đó dòng qua cuộn dây 3 tăng Lý luận tương tự khi có thanh sắt 1 nối kín mạch từ 2 khiến cho dòng qua cuộn dây cũng giảm theo

Hình 1.17b minh hoạ sự thay đổi của L theo khoảng dịch chuyển d của thanh sắt 1: khi thanh sắt 1 dịch chuyển sẽ làm thay đổi L của cuộn dây 3 Nối bộ cảm biến trên với một rơ-le, ta sẽ có một bộ công tắc không tiếp điểm theo tín hiệu từ trường nhận biết vị trí của thanh sắt 1, minh hoạ qua hình 1.18

Hình 1.17: Cảm biến từ nhận biết vị trí vật chuyển động

a) Cấu tạo b) Quan hệ L = f(d)

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý bộ công tắc không tiếp điểm dạng từ trường

Khi thanh sắt 1 làm kín mạch từ 2, dòng qua cuộn dây cảm biến (CB) tăng lên làm cho rơ-le K hút tiếp điểm Lý luận tương tự cho trường hợp ngược lại, rơ-le sẽ nhả tiếp điểm khi thanh sắt làm hở mạch từ 2