Bài tập lớn vi mạch tương tự dùng cặp nhiệt điện

DÙNG CÁC VI MẠCH TƯƠNG TỰ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.Yêu cầu: Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = 0(100 + 10×n)°C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp1.U=0 ÷ 10V2.U=0 ÷ 5V3.I=0 ÷ 20mA4.I=4 ÷ 20mADùng cơ cấu đo chỉ thị.Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: ﺡ = (1+0,5×a) giây

Trường ĐHCN Hà Nội Bộ Môn ĐLĐK

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Nam

Lớp: ĐH Điện4_K7

NỘI DUNG

Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt

độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu

Yêu cầu: - Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100 + 10×n)°C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp

1. U=0 ÷ 10V

2. U=0 ÷ -5V

3. I=0 ÷ 20mA

4. I=4 ÷ 20mA

- Dùng cơ cấu đo chỉ thị

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

) = ﺡ1+

Phần Thuyết Minh

Yêu cầu bố cục nội dung:

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán,lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

Kết luận và hướng phát triển.

Chương 1: Tổng quan mạch đo I.Tổng quan.

Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi U-I , vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp

+Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo

+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.( 0 – 91)

Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng cặp nhiệt ngẫu

.Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu :

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng

nhiệt điện Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế

· Nhiệt độ đầu tự do t0 đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn 0

nhưng thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết Phương pháp khắc phục :có 2

phương pháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt Với cách thứ nhất ta chỉ việc ngâm đầu đo vào nước đá cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư

do thay đổi thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện

áp bù vào sức điện động bị thay đổi

6 mạch chuyển đổi u sang i

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

Khối Chỉ thị

II.Chức năng của các khối trong mạch đo:

a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vìtín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác

c, Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ

d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra

e, khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trởkim loại

Cảm biến Cảnh báo

Mạch so sánh

3.1 Mạch đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo màchọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thànhđại lượng điện hay điện áp

Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu hiển thị

3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường,

không có điện trong đại lượng cần đo

- Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ Nhiệt điện kế kim loại

+ Nhiệt điện trở kim loại

+ Nhiệt điện trở bán dẫn

+ Cảm biến thạch anh

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

I Các linh kiện có trong mạch

1.Cặp nhiệt ngẫu TCK

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp

1.1.Cấu tạo :

1) Vỏ bảo vệ: 2) Mối hàn :3) Dây điện cực :4) Sứ cách điện:

5) Bộ phận lắp đặt: 6) Vít nối dây: 7) Dây nối; 8) Đầu nối dây.

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn

nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.

1.2.Vật liệu chế tạo điện cực

1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi

7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben

- Cặp Platin - Rođi/Platin:

Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch Nhiệt

độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600 o C , E đ =16,77mV Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300 o C Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300 o C thì E ˜ 0.

Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100 o C.

Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm.

Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn.

- Cặp nhiệt Chromel/Alumel:

Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe Cực âm là

Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si).

Nhiệt độ làm việc dài hạn <300 o C.

Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo.

1.2 Điện trở , biến trở

a.Điện trở

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần

xác định đúng trị số các vòng màu

 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.

 Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3

 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để hiển thì đầu ra có thể chính xác

b Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng

có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh

Cấu tạo bên trong của OP 741

-OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch đại điện âm hoặc dương

So sánh hai điện thế nhập

Khi V + > V - Khi V + < V - Khi V + = V -

Ngoài ra, mạch tích phân ,vi phân ,mạch cộng ,mạch trừ

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy

từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức

IC = β.IB

Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.

1.6 Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu

từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng

đó là 5V, 9V, 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnhlưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo

I.Tính toán cảm biến (TCK)

Theo tính chất của vật liệu làm nên cặp nhiệt ngẫu cứ khoảng 1oC tương ứng với 0,4mV như hình :

Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100 + 10×n)°C

(với n=36) tức là khoảng 0oC÷460oC cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu làm từ chromel/coben để sử dụng trong đề tài.Với cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800 o C, E đ =

66 mV.

Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600 o C.

Để chuẩn hóa đầu ra là 10V ta sử dụng mạch khuếch đại với OP 741 với các thông

số như sau:

II.Tính toán thiết kế nguồn :

vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V vậy vấn đề đặt ra là phảibiến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm:

 máy biến áp

 bộ chỉnh lưa cầu dùng 4 điot

ở bộ so sánh 5V và nguồn cấp cho OA là 12V như vậy cần sử dụng máy biến áp cónhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp 1 phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi

Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án 3

Phương án thiết kế :

 biến áp : do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra là 15V

 mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra

ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 2 nửa chu kỳ

 bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụ điện.

 khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0 đến 15V nên ta dùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

III.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại và chuẩn hóa.

Chuẩn hóa đầu ra 10V

Chuẩn hóa đầu ra -5V

Ta chọn các giá trị của R như sau: R1=250kΩ

R3=10kΩ

Ta chọn các giá trị R như sau: R3=110kΩ

R4=10kΩ

IV Thiết kế mạch so sánh

Mạch so sánh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp ở khối khuếch đại đem so sánh với Uđặt ,khi Uv>Uđặt thì còi sẽ kêu báo động Ở đây đầu ra chuẩn hóa 10V ứng với

460oC.Khi nhiệt độ vượt quá 230oC ứng với 5V thì còi sẽ kêu,và đèn sẽ sáng

Các thông số của mạch so sánh là : Uđặt=5V

Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dây

được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 5.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện

+ Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay

Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

M q ==B.S.I.W

với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

W: số vòng dây của khung dây

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây

+Các đặc tính chung: từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

- chỉ đo được dòng điện 1 chiều

-đặc tính thang đo đều

- độ nhạy là 1 hằng số

VII.Mạch đèn LED nhấp nháy

R 4

Theo yêu càu đề tài ta có khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường:

t°C=0÷t max /2=200 o C Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

) = ﺡ 1 + 0,5 ×a) giây với a=6 nên t sáng =t tối =4(s) Đối với mạch này ta sử dụng IC555 để tạo xung vuông và đưa ra đèn LED Tính toán thông số linh kiện trong mạch

Ta có T=t n +t x =t sáng +t tối

=0,69.(R A +2R B ).C=8(s)

Cho R A =R B =50kΩ ta suy ra được

VI.Toàn mạch của đề tài

3 2 6

4 1 5 U2

+12v

3 2 6

4 1 5 U3

4 1 5 U4

áp còn được đưa vào IC555 để tạo xung vuông và đưa ra tín hiệu đèn LED.

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

4.1 Kết luận:

Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành đồ án trong thời gian quy định Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn

4.2 Hạn chế

Hạn chế: sai số lớn do hệ số Ku của khối khuếch đại lớn,thựu tế khó có thể chỉnh về điện áp 0V,do điện trở không thể tiến đến vô cùng

4.3 Hướng phát triển của đề tài

Cơ cấu hiển thị có thể dùng đèn led 7 thanh để hiển thị giúp người vận hành dễ quan sat,tránh nhầm lẫn