Quá trình hình thành giáo trình kết cấu mạch điện từ có xung trong quy trình nuôi cấy vi khuẩn p7 pps

Khi tín hiệu điều khiển Uđk tăng lên nhiệt độ trong tủ nuôi cấy thấp, mạch so sánh lật trạng thái sớm hơn vì vậy các xung nhọn được phát sớm hơn, các xung này qua BAX đặt lên cực điều k

• Khối so sánh: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đo được với tín hiệu

chuẩn rồi đưa ra tín hiệu điền khiển

• Khối tín hiệu chuẩn: nhằm tạo ra tín hiệu chuẩn để so sánh với tín

hiệu đo

• Mạch điều khiển: tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng để đưa ra điều

khiển kháng đốt

• Kháng đốt có nhiệm vụ tạo ra nhiệt độ thích hợp cho tủ nuôi cấy

vi khuẩn

3.3 Tính toán thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối

3.3.1 Mạch điều khiển

3.3.1.1 Mạch động lực

Sơ đồ nguyên lý mạch lực của tủ nuôi cấy vi khuẩn như hình 3.2 sau:

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Hoạt động của sơ đồ như sau: khi có xung điều khiển tác động vào cực

Tranzitor này làm việc như một khóa điện tử, trạng thái làm việc phụ thuộc vào xung điều khiển Mỗi khi có xung nhọn dương tác động vào cực bazơ của Tranzitor, làm cho Q1 mở Kết quả là trên cuộn sơ cấp của biến áp xung (BAX) có xung, cảm ứng sang cuộn thứ cấp của BAX tác động tới cực điều khiển của Triac (GT) làm cho Triac mở với những góc mở có giá trị khác nhau

để cấp dòng điện xoay chiều cho điện trở dây đốt (Rt) Khi tín hiệu điều khiển

Uđk tăng lên ( nhiệt độ trong tủ nuôi cấy thấp), mạch so sánh lật trạng thái sớm hơn vì vậy các xung nhọn được phát sớm hơn, các xung này qua BAX đặt lên cực điều khiển của Triac làm cho nó mở sớm, dòng điện nguồn xoay chiều 220V/50Hz cung cấp cho điện trở dây đốt tăng lớn Do đó nhiệt độ của tủ nuôi cấy nóng dần lên cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và Triac sẽ dẫn dòng trong một khoảng thời gian nhất định, vì Triac có thể mở cho dòng điện chảy qua khi có

điện áp dương đặt lên anốt và xung áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi Triac đã mở thì xung điều khiển có tác động cũng không có tác dụng và đến lúc nào đó nhiệt độ trong tủ tăng cảm biến nhiệt độ sẽ tác động làm cho tín hiệu điều khiển giảm làm cho xung nhọn phát ra muộn hơn, góc kích của Triac lớn, dòng điện cấp cho điện trở dây đốt sẽ giảm khi đó nhiệt độ trong tủ giảm xuống cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và được kéo dài trong một khoảng thời gian nào đó thì nhiệt độ trong tủ lại giảm nhỏ hơn nhiệt độ đặt thì quá trình lại ngựơc lại và quá trình này cứ lặp đi lặp lại Như vậy, nhiệt độ trong trong tủ nuôi cấy vi khuẩn sẽ luôn luôn được giữ ổn định ở giá trị nhiệt độ đặt

BAX ở đây có tác dụng vừa làm chức năng cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, vừa làm chức năng tạo xung để mở Triac

Diode (D1) được mắc ở đây có chức năng triệt tiêu các xung âm sinh ra trong mạch sơ cấp của BAX và loại trừ hiện tượng quá điện áp trên các cực C,

E của Tranzitor do suất điện động cảm ứng sinh ra trên cuộn sơ cấp của BAX

Tụ điện C1, R1 mắc song song với Triac có tác dụng tránh hiện tượng mở không mong muốn Bởi vì khi xảy ra trường hợp điện áp đặt lên Triac tăng với

tốc độ lớn hơn điện áp giới hạn của Triac thì Triac cũng có thể chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở mặc dù dòng điều khiển bằng 0V

Chọn R =25Ω1 , C1= 0, 47 μF

Điện trở RLP có tác dụng hạn chế dòng cho đèn báo LP

Rt là điện trở dây đốt Qua quá trình thực tập chúng tôi tìm hiểu và nghiên cứu thực tế trong các tủ nuôi cấy vi khuẩn trong bệnh viện Bạch Mai và một số nơi thấy thông thường các tủ có công suất 1,2KW, điện áp định mức qua tủ là 220V Trên cơ sở này tôi tiến hành tính toán chọn linh kiện cho mạch

động lực

Tính toán chọn linh kiện cho mạch động lực:

+ Chọn Triac loại BTA08 ( TO220AB) từ sách “Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn” Tg: Dương Minh Trí , thông số kỹ thuật của Triac gồm có:

Uađm = 600V

Iađm = 8A

UGT = 1,5V

IGT = 100mA

A

t G = 20 μ

+ Chọn BAX có hệ số biến áp là k = 1 Vì BAX làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực và tạo xung để điều khiển góc mở cho Triac

Khi đó U1 = U2 = UGT = 1,5V và I1 = I 2= IGT = 100mA

Trong đó I1, U1 là dòng điện và điện áp sơ cấp của BAX Còn I2,

U2 là dòng điện và điện áp thứ cấp của BAX

+ Chọn điện áp cung cấp ECC = 9V Từ sơ đồ mạch động lực thấy khi Q1

mở thì ECC = I1ìR2 + U1 + UCE

ì

ư

ư

=

ư

ư

10 100

3 0 5 1 9

3 1

1 2

I

U U E

Chọn R2= 100 Ω

=> Chọn Tranzitor (Q1) 2SC1815 (loại NPN) với các thông số như sau:

IC =150mA; β = 130; PC = 400mW;T=1250C;

130

100 =

=

=

β

+ Chọn Diode (D1): do hiệu ứng Lenxơ, nếu không có Diode D1 thì suất

điện động cảm ứng sẽ sinh ra quá điện áp trên các cực C, E của Tranzitor (Q1)

có thể đánh thủng Tranzitor (Q1) này Do đó chọn Diode loại 1N4001 có các thông số kỹ thuật như sau: Uđm = 50V; Iđm = 1A

+ Chọn đèn báo (LP) là LED với dòng điện làm việc từ 5mA đến 20mA

và điện áp làm việc là 2V Do đó để hạn chế điện áp cho đèn thì phải dùng

điện trở là: = = KΩ

mA

V

10 220

3.3.1.2 Mạch so sánh

Trong mạch tự động điều khiển nhiệt độ, để nhiệt độ trong tủ có thể tự

động điều chỉnh được về nhiệt độ chuẩn mà đã được đặt trước thì phải sử dụng

bộ so sánh để so sánh tín hiệu đo được nhờ cảm biến với tín hiệu chuẩn đã đặt trước Sai lệch ở đầu ra của bộ so sánh sẽ được xử lý ở mạch hiệu chỉnh sai số

Ngoài ra, để tạo ra được tín hiệu xung điều khiển góc mở của Triac cấp nguồn cho bộ tạo nhiệt (ở đây là dây đốt) thì cũng cần phải có bộ so sánh để

có thể so sánh tín hiệu điện áp điều khiển với tín hiệu điện áp của bộ tạo xung răng cưa đồng bộ Để có thể so sánh những khối này có thể dùng mạch khuếch

đại thuật toán hoặc tranzitor Trong đề tài này em sử dụng mạch khuếch đại thuật toán TL082 với các thông số kỹ thuật của TL082 (hoặc TL084) như sau: Điện áp vào: U V = ± ữ ± 3 18V

Điện áp vào lớn nhất: U V = ± 30

Công suất tiêu hao: P=680mW

Nguồn cung cấp: V CC = ± 15

Dòng điện làm việc Ilv=1mA

ở nhiệt độ làm việc 250C thì TL082( hoặc TL084) có một số tính chất sau:

Hệ số khuếch đại điện áp: k=106dB

Dòng điện dịch: 30pA

Tốc độ ra tăng điện áp đầu ra 13 /V μs

Độ trôi điện áp thứ nguyên: ± 13

Sơ đồ mạch so sánh hai tín hiệu có dạng như hình 3.3 sau:

Hình 3.3 Sơ đồ mạch so sánh

Hoạt động của sơ đồ như sau: khi cho hai tín hiệu điện áp đặt Uđặt, và tín hiệu điện áp đo được từ cảm biến Uđo vào mạch so sánh thì:

Nếu Uđặt > Uđo => tín hiệu Ura có giá trị âm Khi đó nhiệt độ trong tủ thấp hơn nhiệt độ đăt, bộ so sánh sẽ đưa đến bộ điều khiển tín hiệu đóng mở Triac để đưa nhiệt độ trong tủ về giá trị nhiệt độ đặt

Nếu Uđặt < Uđo thì tín hiệu Ura có giá trị dương Khi đó nhiệt độ trong tủ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ so sánh sẽ đưa tín hiệu ra đến khối tạo tín hiệu điều khiển để khoá Triac cắt nguồn cấp cho bộ tạo nhiệt

3.3.1.3 Mạch tạo xung điều khiển góc mở

Sơ đồ tạo xung điều khiển cho như hình 3.4 sau:

Hình 3.4 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển

Hoạt động của khối như sau: tín hiệu điều khiển Uđk là kết quả của sự sai lệch điện áp ở đây nó tương ứng với sự chênh lệch giữa nhiệt độ thực đo

được nhờ cảm biến và nhiệt độ đặt nhờ bộ tạo tín hiệu chuẩn Tín hiệu xung răng cưa UX được so sánh với tín hiệu điều khiển Uđk nhờ bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán TL082 Tín hiệu xung răng cưa được đưa vào đầu không

đảo còn tín hiệu điều khiển được đưa vào đầu đảo Bộ so sánh này được mắc theo nguyên lý không có phản hồi nên tín hiệu ra của nó có thể là bão hòa dương hoặc bão hòa âm phụ thuộc vào mối tương quan giữa tín hiệu điều khiển

Uđk và tín hiệu xung răng cưa UX Khi tín hiệu xung lớn hơn tín hiệu điều khiển thì tín hiệu ra của bộ so sánh có dạng xung vuông Xung vuông này qua

bộ vi phân R-C sẽ tạo ra các xung nhọn mỗi khi xung vuông lật trạng thái Độ rộng của các xung này phụ thuộc vào dung lượng của tụ điện C2, các xung nhọn này khi qua bộ vi phân vẫn còn có xung âm Sau khi đi qua Diode (D2) thì các xung âm bị chặn lại

Như vậy, xung điều khiển góc mở là những xung nhọn dương có thời

điểm xuất hiện là lúc giao nhau giữa điện áp điều khiển với sườn sau của xung răng cưa

Sơ đồ dạng xung như hình 3.5 sau:

Hình 3.5 Sơ đồ dạng xung

Bộ vi phân R-C có tác dụng sửa dạng xung đầu ra của bộ so sánh sao cho độ rộng và biên độ thích hợp với Triac cần điều khiển Độ rộng xung đ−ợc quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt đến giá trị dòng điều khiển (Tra trong sách tra cứu ứng với loại Triac sử dụng)

Gọi tx là độ rộng xung: t x ≈2,2ìC2ìR4 ≈20μs

Chọn C2 = 0 , 47 μF => = Ω

ì

47 , 0 2 , 2

20

4

F

s R

μ

μ

thực tế chỉ có điện trở có giá trị R4 = 20 Ω

Nh− vậy, trong mạch vi phân R-C chọnR4 = 20 Ω,C2 = 0 , 47 μF

Tính chọn R3 với I = 0,77mA

ì

−

−

=

−

− Δ

−

10 77 0

3 0 5 1 9 9

3 2

) 1 (

2

I

U U R

Q C

BE D

ChọnR3 = 10 ΚΩ

Chọn D2 (loại 1N4001) có các thông số kỹ thuật là:

UD2 = 50V; ID2 =1A

3.3.1.4 Mạch tạo xung răng cưa đồng bộ

Trong thực tế muốn điều chỉnh Triac đóng mở (với một góc mở α nào

đó) tự động theo yêu cầu của bài toán thì chúng ta cần phải tạo ra được tín hiệu

điện áp đồng bộ với tín hiệu điện áp đặt lên anôt-catôt của Triac Để làm được việc này người ta thường tạo ra xung răng cưa đồng bộ (hay còn gọi là điều khiển thẳng đứng tuyến tính) đây là phương pháp hay được sử dụng nhất ngoài

ra người ta cũng có thể điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Trong đề tài này tôi sử dụng phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa đồng bộ như hình 3.6 sau:

Hình 3.6 Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa đồng bộ

Hoạt động của mạch tạo xung răng cưa đồng bộ này như sau: nguyên lý

chung để tạo ra xung răng cưa là đầu tiên ta phải tạo ra được xung vuông sau

đó dùng mạch tích phân cho ra xung răng cưa Trong đề tài này tôi thiết kế mạch tạo xung răng cưa có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán TL082, nó gồm

có 2 OA (U1A và U1B) đóng trong một vỏ, U1A(TL082) được dùng trong mạch tạo xung vuông, U1B(TL082) dùng cho mạch tích phân tạo xung răng cưa

Mạch tạo xung vuông: mạch gồm máy biến áp giảm áp và một bộ so

sánh tín hiệu vào với mát, bộ so sánh ở đây là U1A(TL082) Khi có tín hiệu

điện áp ở nửa chu kỳ dương của tín hiệu xoay chiều vào đầu không đảo của U1A(TL082) lúc đó đầu vào không đảo sẽ dương hơn đầu vào đảo nên đầu ra

của U1A(TL082) sẽ có tín hiệu xung điện áp bão hoà +9V (với giả thiết bộ so sánh này là lý tưởng) thì tín hiệu vào đầu không đảo giảm dần đến lúc nhỏ hơn đầu vào đảo và âm dần khi đó đầu ra của U1A(TL082) lật trạng thái đến chế độ bão hoà âm (-9V) trong khoảng thời gian nào đó thì tín hiệu đầu vào không đảo dương hơn đầu đảo, đầu ra của tín hiệu sẽ lật trạng thái và có tín hiệu xung điện áp dương, quá trình lại tiếp tục lặp đi lặp lại như vậy Sơ đồ dạng xung của mạch này như hình 3.7 sau:

Hình 3.7 Sơ đồ dạng xung vuông

Mạch tạo xung răng cưa: mạch gồm có một khâu tích phân, Diode chỉ

cho tín hiệu dương đi qua và một Tranzitor (Q2) để đóng mở, hoạt động của mạch này là khi có xung dương qua Diode vào đầu không đảo của TL082(U1B) dương hơn đầu vào đảo nên cho tín hiệu qua U1B(TL082) đồng thời nạp cho tụ C3 tín hiệu ra lúc này tăng dần tuỳ thuộc vào dung lượng của tụ lớn hay nhỏ, còn khi tín hiệu vào là xung âm sẽ đi vào cực B của Q2 khi đó Q2

sẽ mở cho dòng chảy qua khi đó tín hiệu ở đầu vào không đảo nhỏ hơn tín hiệu

đầu đảo do đó xung ra sẽ giảm dần nhưng nhờ có tụ C3 nên xung ra chỉ giảm

đến 0V thì tụ lại phóng Do đó ở đầu ra ta sẽ nhận đ−ợc một chuỗi xung răng c−a

Sơ đồ dạng xung đầu ra có dạng nh− hình 3.8 sau:

Hình 3.8 Sơ đồ dạng xung răng c−a

Tính toán lựa chọn các linh kiện trong mạch này nh− sau:

Độ rộng xung ra của mạch tích phân R6 - C3 và khuếch đại thuật toán U1B(TL082) là tx2 = (2,2 ữ 3) ì R6ìC3= ( 2 , 2 ữ 3 ) τ Với τ là hằng số thời gian:

3

6 C

R ì

=

τ , chọn τ = 0 , 0005s=R6 ìC3

Chọn C3 = 222pF= 0 222 μF => = = KΩ

F

s

222 , 0

0005 , 0

Ω

R6 22

Chọn Tranzitor (loại PNP) mã hiệu 2SA564 có các thông số kỹ thuật sau:

IC = 100mA, β = 250, PC = 250mW, Tj = 1250C

Vì khuếch đại thuật toán U1A(TL082) có dòng làm việc là 1mA, dòng cực bazơ của Tranzitor là I I C I C mA mA

250

100

=

=

chế dòng cho Tranzitor Do đó, = = KΩ

mA

V

1 9

7 , với giả thiết 9V là điện áp ra