Luận văn gồm 3 chương, đề cập những vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện Peltier. Với mục tiêu: Tìm hiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thiết bị điện tử. Các phương pháp ổn định nhiệt độ sử dụng môi chất lạnh, hiệu ứng điện nhiệt Peltier và ứng dụng Peltier làm mát thiết bị điện tử. Chương 2: Thiết kế sơ đồ chức năng thiết bị ổn định nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện Peltier. Với mục tiêu: Xây dựng sơ đồ khối hệ thống ổn định nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện Peltier. Tính toán lựa chọn các khối và đi vào thiết kế mạch điều khiển, xây dựng mô hình hệ thống. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển ổn định nhiệt độ. Với mục tiêu: Đưa ra các phương pháp điều khiển thông dụng hiện nay, lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống và xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt Peltier.
Trang 1NGUYỄN NĂNG HUẤN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN
TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - Năm 2015
Trang 2NGUYỄN NĂNG HUẤN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN
TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - Năm 2015
Trang 3Cán bộ hướng dẫn chính: Nguyễn Thanh Tiên
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨHỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰNgày 8 tháng 10 năm 2015
Trang 4trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ vàpháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Nguyễn Năng Huấn
Trang 5Trang phụ bìa
Bản cam đoan
Mục lục
Tóm tắt luận văn
Danh mục các ký hiệu, viết tắt, các bảng, các hình vẽ………
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG NHIỆT- ĐIỆN PELTIER 1.1 Hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt 4
1.2 Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh 6
1.2.1 Máy lạnh nén hơi: 6
1.2.2 Máy lạnh hấp thụ: 7
1.2.3 Máy lạnh nén khí: 8
1.2.4 Máy lạnh ejectơ 9
1.3 Hiệu ứng điện nhiệt Peltier 11
1.4 Nguyên lý làm việc của thiết bị làm lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier 11
1.4.1 Peltier có hiệu suất cao: 12
1.4.2 Peltier cho nhiệt độ cao: 13
1.4.3 Peltier có kích thước nhỏ: 14
1.4.4 Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn: 15
Trang 61.6 Kết luận chương 1 20
Chương 2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẶP NHIỆT ĐIỆN PELTIER 2.1 Phân tích xây dựng sơ đồ khối 21
2.1.1 Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 21
2.1.2 Chức năng các khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 22
2.2 Tính toán lựa chọn các khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 22
2.2.1 Khối điều khiển bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 22
2.2.2 Khối biến đổi điện áp một chiều DC/DC 25
2.2.3 Khối làm mát thiết bị: 43
2.2.4 Khối cảm biến 51
2.3 Thiết kế mạch 56
2.3.1 Mạch nguyên lý nguồn cung cấp cho vi điều khiển và TLP 250 56
2.3.2 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển Atmega 16L 57
2.3.3 Mạch nguyên lý bộ biến đổi DC-DC 59
2.3.4 Mạch nguyên lý điều khiển quạt khuếch tán nhiệt lạnh 60
2.3.5 Mạch nguyên lý giao tiếp với máy tính sử dụng Max 232 60
2.3.6 Mạch nguyên lý cấp nguồn dòng cho cảm biến PT100 61 2.3.7 Mạch điều khiển thiết bị và tủ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 61
Trang 7THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
3.1 Các phương pháp điều khiển 63
3.1.1 Phương pháp điều khiển on/off 63
3.1.2 Phương pháp điều khiển PID 64
3.1.3 Bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ 75
3.1.4 Lựa chọn phương pháp điều khiển 82
3.2 Thuật toán điều khiển 83
3.3 Kết luận chương 3 91
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1 Kết luận 92
2 Khuyến nghị 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
PHỤ LỤC
Trang 8Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tiên
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử trên cơ sở công nghệ hiệu ứng nhiệt Peltier.
Tóm tắt:
Luận văn nghiên cứu những vấn đề sau:
- Tìm hiểu về hệ thống ổn định nhiệt độ, hệ thống điều chỉnh và ổn địnhnhiệt độ sử dụng môi chất làm lạnh
- Tìm hiểu về hiệu ứng điện nhiệt Peltier, các loại tấm Peltier phổ biếntrên thị trường hiện nay
- Làm rõ tính ưu việt của hệ thống làm mát thiết bị điện tử sử dụng tấmPeltier so với làm mát tự nhiên, làm mát bằng quạt gió hay sử dụng môi chấtlạnh (điều hòa nhiệt độ)
- Xây dựng mô hình hệ ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện tử hoạtđộng ngoài trời sử dụng tấm Peltier
- Thiết kế phần cứng thiết bị làm mát sử dụng Peltier
- Xây dựng chương trình thực hiện luật điều chỉnh nhiệt độ bằngphương pháp điều khiển PID
- Hoàn thiện mô hình tủ chứa thiết bị điện tử cần ổn định nhiệt độ
Trang 9I: Integral – Tích phân.
NTC: Negative Temperature Coefficient – Nhiệt điện trở nghịch
PID: Proportional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ.P: Proportional – Tỉ lệ
PCB: Printed Circuit Board – Bảng mạch in
PV: Process Variable
PWM: Pulse Width Modulation – Module điều khiển độ rộng xung.TE: ThermoElectric
SP: Set Point
Trang 10Bảng 1.2 Một số loại Peltier nhiệt độ cao 14
Bảng 1.3 Một số loại Peltier có kích thước nhỏ 14
Bảng 1.4 Một số loại Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn 15
Bảng 1.5 Một số loại Peltier có tâm lỗ tròn 16
Bảng 1.6 Một số loại Peltier hình chữ nhật có tâm lỗ tròn 16
Bảng 1.7 Một số loại Peltier ghép song song 17
Bảng 1.8 Một số loại Peltier dạng chuẩn 18
Bảng 2.1: hệ số chọn quạt: 50
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật Sensor nhiệt - PT100 55
Bảng 2.3 Bảng sự thật của TLP 250 58
Bảng 3.1 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID 73
Bảng 3.2 Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm 74
Bảng 3.3 Bảng căn chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd 85
Trang 11
Hình 1.2 Máy lạnh hấp 8
Hình 1.3 Máy lạnh nén 9
Hình 1.4 Máy lạnh ejectơ 10
Hình 1.6 Peltier có hiệu 13
Hình 1.7 Petier cho nhiệt độ cao 13
Hình 1.8 Peltier có kích thước nhỏ 14
Hình 1.9 Peltier nhiều giai đoạn 15
Hình 1.10 Peltier có tâm lỗ tròn 15
Hình 1.11 Peltier chữ nhật tâm lỗ tròn 16
Hình 1.12 Peltier ghép song song 17
Hình 1.13 Peltier loại chuẩn 17
Hình 1.14 Một số cơ cấu làm mát sử dụng Peltier 19
Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt 21
Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển 22
Hình 2.3 Vi điều khiển Atmega 16 23
Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển 25
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi BUCK 27
Hình 2.6 Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng 27
Hình 2.7 Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng khi u = 1 .27
Hình 2.9 Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn 30
Hình 2.10 Phần tử lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 30
Hình 2.11 Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp 33
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi buck-boost 33
Trang 12Hình 2.17 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng 36
Hình 2.18 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 1 36
Hình 2.19 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 0 36
Hình 2.20 Mô phỏng bộ biến đổi giảm áp 39
Hình 2.21 Cấu tạo của hệ con Calcul-Power 39
Hình 2.22 Cửa sổ thông số: a - khối Pulse Generator; b - khối Generator, c- Nagryzka 41
Hình 2.23 Dạng điện áp tín hiệu điều khiển IGBT 42
Hình 2.24 Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 40 (%).42 Hình 2.25 Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 30 (%).42 Hình 2.26 Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 20 (%).43 Hình 2.27 Cấu tạo tấm Peltier 44
Hình 2.28 Sự truyền tải nhiệt 45
Hình 2.29 Thông số của Peltier 45
Hình 2.30 Đặc tuyến của Peltier TEC1-12706 45
Hình 2.31 Tản nhiệt cho tấm Peltier 46
Hình 2.32 Tủ chứa thiết bị phát nhiệt 47
Hình 2.33 Quạt lưu chuyển khí lạnh trong hộp 50
Hình 2.34 Cặp nhiệt điện 52
Hình 2.35 Cảm biến đo nhiệt độ loại PT100 54
Hình 2.36 Mạch nguyên lý khối nguồn cho vi điều khiển 56
Hình 2.37 Mạch nguyên lý khối nguồn cho TLP 250 56
Hình 2.38 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển 57
Hình 2.39 Sơ đồ chân của TLP 250 58
Trang 13Hình 2.43 Mạch giao tiếp với máy tính qua cổm com 60
Hình 2.44 Mạch cấp nguồn dòng cho cảm biến PT100 61
Hình 2.45 PCB mạch điều khiển 61
Hình 2.46 Mạch điều khiển sau khi gắn linh kiện 62
Hình 2.47 Tủ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 62
Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán phương thức điều khiển on/off 63
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 64
Hình 3.3 Sơ đồ khối khâu P 65
Hình 3.4 Đáp ứng khâu P 66
Hình 3.5 Sơ đồ khối khâu I 66
Hình 3.6 Đáp ứng của khâu I và P 67
Hình 3.7 Sơ đồ khối khâu D 68
Hình 3.8 Đáp ứng khâu D và PD 68
Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 69
Hình 3.10 Đáp ứng bộ PID 69
Hình 3.11 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ a 72
Hình 3.12 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ b 72
Hình 3.13 Mô hình điều khiển với Kgh 74
Hình 3.14 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 74
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán PID 75
Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ cơ bản 75
Hình 3.17 Bộ điều khiển mờ động 76
Hình 3.18 Cấu trúc bộ mờ điều khiển nhiệt độ 78
Hình 3.19 Các tập mờ của biến ET 79
Trang 14Hình 3.23 Giải thuật điều khiển mờ 81
Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ bằng mờ thích nghi 82
Hình 3.25 Lưu đồ chương trình PID 83
Hình 3.26 Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID 84
Hình 3.27 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =15 và Kp=16 86
Hình 3.28 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =17 và Kp = 18 86
Hình 3.29 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 19 và Kp = 20 .87 Hình 3.30 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 21 và Kp =22 87
Hình 3.31 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.1 và Kd = 0.2 .88
Hình 3.32 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.3 88
Hình 3.33 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.01 89
Hình 3.34 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.02 89
Hình 3.35 Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.03 90
Hình 3.36 Đồ thị nhiệt độ bên trong tủ chứa thiết bị điện tử cần làm mát. .90
Hình 3.37 Mô hình hệ thống ổn định nhiệt độ khi vận hành 91
Trang 15Năm 1934 Peltier phát hiện ra hiệu ứng điện nhiệt Hiệu ứng này được ứngdụng rất rộng rãi trong kỹ thuật như chế tạo cảm biến, động cơ piezo Ngoàinhững ứng dụng lớn đó ta còn có thể ứng dụng hiệu ứng này trong việc làmmát thiết bị điện tử bởi nó có khả năng đáp ứng nhanh, giá thành rẻ, cấu trúc
Trang 16nhỏ gọn, không gây ồn, dễ dàng thiết kế và việc điều khiển rất đơn giản bằngmodul xây dựng sẵn hay vi xử lý chuyên dụng Chính vì vậy tác giả đã lựa
chọn đề tài “Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử trên cơ
sở công nghệ hiệu ứng nhiệt peltier”.
Luận văn gồm 3 chương, đề cập những vấn đề sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ trên cơ sởhiệu ứng nhiệt - điện Peltier
Với mục tiêu: Tìm hiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thiết bị điện tử.Các phương pháp ổn định nhiệt độ sử dụng môi chất lạnh, hiệu ứng điện nhiệtPeltier và ứng dụng Peltier làm mát thiết bị điện tử
Chương 2: Thiết kế sơ đồ chức năng thiết bị ổn định nhiệt độ sử dụng cặpnhiệt điện Peltier
Với mục tiêu: Xây dựng sơ đồ khối hệ thống ổn định nhiệt độ sử dụng cặpnhiệt điện Peltier Tính toán lựa chọn các khối và đi vào thiết kế mạch điềukhiển, xây dựng mô hình hệ thống
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển ổn định nhiệt độ
Với mục tiêu: Đưa ra các phương pháp điều khiển thông dụng hiện nay, lựachọn phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống và xây dựng thuật toán điềukhiển hệ thống ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt Peltier
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với thầy giáohướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thanh Tiên đã tận tình hướng dẫn địnhhướng về nội dung và phương pháp nghiên cứu các vấn đề trong quá trìnhthực hiện luận văn
Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điều khiển đãtận tình hướng dẫn nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi, và đóng góp nhiều ýkiến quý báu cho luận văn
Trang 17Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè vàgia đình đã động viên và giúp đỡ rất nhiều để luận văn được hoàn thành.
Do thời gian có hạn, yêu cầu thiết bị thử nghiệm nên trong quá trình thựchiện luận văn chắc chắn sẽ không tránh được những hạn chế Vì vậy tác giảkính mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn của các thầy cô nhiều hơn Tác giảxin chân thành cảm ơn!
Trang 18Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG NHIỆT- ĐIỆN PELTIER.
Nhiệt độ là một trong những thông số hoạt động quan trọng của cácthiết bị điện tử Khi nhiệt độ làm việc thay đổi, dẫn đấn các tham số mạchđiện bị thay đổi, làm trôi các điểm làm việc trong các thiết bị điện tử tương tự,làm thay đổi tính chất chuyển mạch của các thiết bị số, thậm chí làm phá hỏngcác linh kiệm công suất….Vì vậy các thiết bị điện tử luôn được ổn đinh nhiệt
độ, đặc biệt các linh kiện điện tử công suất
Hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực Với sự phát triển của công nghệ nhiệt lạnh, các hệ thống điều chỉnh
và ổn định nhiệt độ rất đa dạng về chủng loại và công suất Những hệ thốngnày chủ yếu ứng dụng trong công nghệ bảo quản thực phẩm, phục vụ đờisống con người Đối với lĩnh vực điện tử điều chỉnh và ổn định nhiệt độ giúpcho thiết bị hoạt động ổn định hơn và nâng cao độ bền thiết bị Trong thựctiễn thiết bị điện tử thường được ổn định nhiệt độ bằng làm mát tự nhiên hoặcbằng quạt gió, với những hệ thống lớn thường đặt trong các phòng được trang
bị điều hòa nhiệt độ Ngoài ra dựa vào hiệu ứng điện nhiệt Peltier có thể xâydựng hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử rất hiệu quả Phần tiếptheo sẽ khảo sát các phương pháp ổn định nhiệt độ
1.1 Hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt.
Từ xa xưa con người đã biết làm lạnh và ứng dụng lạnh, tuy nhiên các ứngdụng này đều dựa trên yếu tố tự nhiên như dùng các hang động có nhiệt độthấp để chứa lương thực, thực phẩm Ngày nay kỹ thuật lạnh đã có nhữngbước phát triển vượt bậc, để làm lạnh có một số kỹ thuật như sau:
- Bay hơi khuếch tán:
Trang 19Là hiện tượng nước bay hơi vào không khí chưa bão hòa Đây là quá trìnhđẳng entanpy nên độ ẩm không khí tăng lên khi đó nhiệt độ sẽ giảm xuống [3]
- Hòa trộn lạnh:
Ứng dụng sự phản ứng hóa học ta sử dụng các muối pha trộn để làm lạnh
Ví dụ: hòa trộn 31 (gam) NaNO3 với 31 (gam) NH4Cl với 100 (gam) nước ở
10 (0C) ta được hỗn hợp có nhiệt độ - 12 (0C) [3]
- Tiết lưu khí không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson)
Có thể dãn nở khí không sinh ngoại công bằng cách tiết lưu chúng qua các
cơ cấu tiết lưu từ áp suất cao P1 xuống áp suất thấp hơn P2, không có trao đổinhiệt với môi trường để sinh lạnh [3]
- Dãn nở khí trong ống xoáy
Khi cho một dòng không khí áp suất 6 (bar) ở 20 (0C) thổi tiếp tuyến vớithành trong của ống, vuông góc với trục ống phi 12 (mm) thì nhiệt độ ở thànhống tăng lên trong khi nhiệt độ ở tâm ống giảm xuống Khi đặt một tấm chắnsát dòng thổi tiếp tuyến có đường kính lỗ < 12 (mm) thì gió lạnh sẽ đi quatấm chắn gió còn gió nóng đi theo hướng ngược lại Độ chênh lệch nhiệt độlên đến 70 (K) Nhiệt độ phía lạnh đạt tới -12 (0C), phía nóng tới 58 (0C), ápsuất sau khi giãn nở bằng áp suất khí quyển [3]
- Tan chảy hoặc thăng hoa vật rắn
Đây là phương pháp chuyển pha các chất tải lạnh như nước đá, nitơ lỏng và
Trang 20Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất làm lạnh và chất tải lạnh quantrọng trong kỹ thuật lạnh [3].
- Khử từ đoạn nhiệt:
Đây là phương pháp sử dụng trong kỹ thuật cryô để hạ nhiệt độ của cácmẫu thử từ nhiệt độ sôi của hêli xuống gần nhiệt độ không tuyệt đối [3]
1.2 Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh.
- Môi chất lạnh: là chất môi giới sử dụng trong chu trình nhiệt động ngượcchiều để hấp thụ nhiệt của môi trường cần làm lạnh có nhiệt độ thấp và thảinhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn [3]
- Hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh:
Sử dụng môi chất làm lạnh để trao đổi nhiệt có nhiều hệ thống khác nhau,tuy nhiên tính thông dụng hiện nay là loại máy lạnh nén hơi, máy lạnh hấpthụ, máy lạnh nén khí, máy lạnh ejectơ [3]
1.2.1 Máy lạnh nén hơi:
Là loại máy lạnh có máy nén cơ để hút hơi môi chất có áp suất thấp vànhiệt độ thấp ở thiết bị bay hơi và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao đẩy vàothiết bị ngưng tụ
Môi chất lạnh trong máy lạnh nén hơi có biến đổi pha (bay hơi ở thiết bịbay hơi và ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ) trong chu trình máy lạnh
Máy lạnh nén hơi bao gồm 4 bộ phận chính là máy nén, thiết bị ngưng
tụ, van tiết lưu và thiết bị bay hơi Chúng được nối với nhau bằng đường ốngnhư hình 1.1 Môi chất lạnh tuần hoàn và biến đổi pha trong hệ thống lạnh Các quá trình cơ bản bao gồm:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt hơi hút
2-3: quá trình ngưng tụ hơi nén ở áp suất cao và nhiệt độ cao
3-4: quá trình tiết lưu lỏng đẳng entanpy
4-1: quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp tạo hiệu ứng lạnh
Trang 21Sơ đồ nguyên lý máy lạnh nén hơi:
Hình 1.1 Máy lạnh nén hơi Các loại môi chất lạnh thường là amoniac và các loại freôn Tùy theomôi chất sử dụng trong máy lạnh mà hệ thống có đặc điểm riêng và cần một
số thiết bị phụ riêng [3]
1.2.2 Máy lạnh hấp thụ:
Là loại máy lạnh sử dụng năng lượng dạng nhiệt để hoạt động Máy lạnhhấp thụ có các bộ phận ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như máy lạnh nénhơi Riêng máy nén cơ được thay bằng một hệ thống bình hấp thụ, bơm dungdịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch Hệ thống thiết bị này chạy bằngnhiệt năng (như hơi nước, bột đốt nóng) thực hiện chức năng như máy nén cơ
là “hút” hơi sinh ra từ bình bay hơi và nén nên được gọi là máy nén nhiệt
Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ:
Các thiết bị ngưng tụ, tiết lưu, bay hơi và các quá trình 2-3, 3-4, 4-1giống như máy lạnh nén hơi Riêng máy lạnh nén nhiệt có các thiết bị bìnhhấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và van tiết lưu dung dịch bố trí nhưhình 1.2 Ngoài môi chất lạnh, trong hệ thống còn có dung dịch hấp thụ làmnhiệm vụ đưa môi chất lạnh từ vị trí 1 đến vị trí 2 Dung dịch sử dụng thường
là amoniắc/nước và nước/liti-bromua
Trang 22Hình 1.2 Máy lạnh hấp thụ Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ có khả năng hấp thụ hơi môi chấtsinh ra ở bình bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc Khi dung dịch trởthành đậm đặc sẽ được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi Ở đây dungdịch được gia nhiệt với nhiệt độ cao (đối với dung dịch amoniắc/nước khoảng
1300C) và hơi amoniắc sẽ thoát ra khỏi dung dịch đi vào bình ngưng tụ Doamoniắc thoát ra, dung dịch trở thành dung dịch loãng, đi qua van tiết lưudung dịch về bình hấp thụ tiếp tục chu kỳ mới Ở đây, do vậy có hai vòngtuần hoàn rõ rệt
Vòng tuần hoàn dung dịch: HT (bình hấp thụ) – BDD (bơm dung dịch) –
SH (bình sinh hơi) – TLDD (tiết lưu dung dịch) và trở lại HT
Vòng tuần hoàn môi chất lạnh 1 – HT – BDD – SH – 2 – 3 – 4 – 1.Trong thực tế và đối với từng loại cặp môi chất: amoniắc/nước hoặc cặp môichất nước/liti-bromua cũng như với yêu cầu hồi nhiệt đặc biệt máy có cấu tạokhác nhau [3]
1.2.3 Máy lạnh nén khí:
Máy lạnh nén khí là loại máy lạnh có máy nén cơ nhưng môi chất dùngtrong chu kỳ không thay đổi trạng thái, luôn ở thể khí
Trang 23Máy lạnh nén khí có thể có hoặc không có máy dãn nở.
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 1.3 Máy lạnh nén khí Nguyên tắc hoạt động:
Máy nén và máy dãn nở thường kiểu turbin, lắp trên một trục Máy nénhút khí từ buồng lạnh 1 nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao ở trạng thái 2 sau
đó đưa vào làm mát ở bình làm mát nhờ thải nhiệt cho nước làm mát Sau khi
đã làm mát, khí nén được đưa vào máy dãn nở và được dãn nở xuống áp xuấtthấp và nhiệt độ thấp rồi được phun vào buồng lạnh Quá trình dãn nở trongmáy dãn nở có sinh ngoại công có ích Sau khi thu nhiệt của môi trường cầnlàm lạnh, khí lại được hút về máy nén khép kín chu trình lạnh [3]
1.2.4 Máy lạnh ejectơ.
Máy lạnh ejectơ là máy lạnh có quá trình nén hơi môi chất lạnh từ ápsuất thấp lên áp suất cao được thực hiện nhờ ejectơ Giống như máy lạnh hấpthụ, máy nén kiểu ejectơ cũng là kiểu máy nén nhiệt, sử dụng động năng củadòng hơi để nén dòng môi chất lạnh
Sơ đồ nguyên lý:
Trang 24Hình 1.4 Máy lạnh ejectơ Nguyên tắc hoạt động:
Hơi có áp suất cao và nhiệt độ cao sinh ra ở lò hơi được dẫn vào ejectơ.Trong ống phun, thế năng của hơi biến thành động năng và tốc độ chuyểnđộng của hơi tăng lên cuốn theo hơi lạnh ra ở bình bay hơi Hỗn hợp của hơicông tác (hơi nóng) và hơi lạnh đi vào ống tăng áp, ở đây áp suất hỗn hợptăng lên do tốc độ hơi giảm xuống Hỗn hợp hơi được đẩy vào bình ngưng tụ
Từ bình ngưng tụ, nước ngưng được chia làm hai đường, phần lớn được bơmnén về lò hơi còn một phần nhỏ được tiết lưu trở lại bình bay hơi để bay hơilàm lạnh chất tải lạnh là nước
Máy lạnh ejectơ có 3 cấp áp suất Ph > Pk > P0 là áp suất hơi công tác, ápsuất ngưng tụ và áp suất bay hơi
Trong thực tiễn hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt sử dụng môi chấtlạnh được ứng dụng rất rộng rãi đó là các hệ thống điều hòa không khí Mụcđích sử dụng đa dạng dẫn đến hệ thống điều hòa cũng rất đa dạng cả về quy
mô và lĩnh vực ứng dụng Dễ nhận thấy hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môichất làm lạnh được ứng dụng nhiều trong công nghệ bảo quản thực phẩm vàphục vụ con người (hệ thống điều hòa nhiệt độ) Đối với các thiết bị điện tửviệc ứng dụng hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh rất hạn chế
Trang 25Chúng thường được ứng dụng để làm mát các phòng máy (các hệ thống máychủ…) có qui mô lớn và vị trí đặt cố định người ta thường dùng điều hòakhông khí [3].
1.3 Hiệu ứng điện nhiệt Peltier.
Năm 1934 Peltier phát hiện ra hiện tượng nếu cho một dòng điện một chiều
đi qua vòng dây dẫn điện kín gồm 2 kim loại khác nhau thì một đầu nối sẽnóng lên và đầu kia sẽ lạnh đi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện nhiệtPeltier [3]
Đối với lĩnh vực điện tử đặc biệt sự phát triển vượt bậc của các thiết bị bay
có mật độ tích hợp cao thì hiệu ứng nhiệt điện có ý nghĩa rất quan trọng trongviệc phát triển thiết bị làm lạnh Những ưu điểm của hệ thống ổn định nhiệttrên cơ sở công nghệ hiệu ứng điện nhiệt Peltier là vượt trội so với cácphương pháp khác Trong phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý của thiết
Trang 26+ Các thanh đồng tản nhiệt phía nóng 1;
+ Các thanh đồng tản nhiệt phía lạnh 4;
+ Nguồn điện một chiều 5;
Nguyên lý hoạt động:
Muốn có chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bên nóng và bên lạnh, các cặp nhiệtđiện 2, 3 là khác dấu bằng bán dẫn đặc biệt bismut antimon, selen và các phụgia mắc nối tiếp chúng vào một nguồn điện một chiều Các thanh đồng tảnnhiệt giúp quá trình tỏa nhiệt giữa phía nóng và lạnh hiệu quả hơn
Ưu điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier không gây tiếng ồn, không
có các chi tiết chuyển động và không sử dụng môi chất làm lạnh, thiết bị nhỏgọn dễ di chuyển Một ưu điểm lớn là ta dễ dàng thay đổi chiều nóng lạnhbằng cách đảo chiều nguồn điện [3]
Nhược điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier có hệ số lạnh chưa cao,tiêu tốn điện năng và phải chạy liên tục do không trữ được lạnh do các cặpnhiệt điện 1, 2 là các cầu nhiệt lớn Cho tới ngày nay năng suất lạnh ứng dụnghiệu ứng Peltier dưới 200 (W) Với lượng công suất này hoàn toàn có thể đápứng tốt việc ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện tử bởi với sự tiến bộ củakhoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng được tích hợp nhỏ gọn [3] Hiện nay các tấm Peltier được thương mại hóa, có thể dễ dàng đặt mua vớinhiều lựa chọn về kích thước và công suất làm lạnh Một số loại tấm Peltierphổ biến trên thị trường hiện nay
1.4.1 Peltier có hiệu suất cao:
Peltier hiệu suất cao được sử dụng vật liệu chất lượng cao nên tiết kiệm
có thể đạt tới 172 (W), kích thước khá nhỏ gọn và có dạng hình vuông Nhiệt
độ mặt nóng có thể lên đến 80 (0C)
Trang 27Hình 1.6 Peltier có hiệu suất cao
Bảng 1.1 Một số loại Peltier có hiệu suất cao
(A)
Qmax (W)
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
C (mm)
1.4.2 Peltier cho nhiệt độ cao:
điện áp làm việc
Hình 1.7 Petier cho nhiệt độ cao
Bảng 1.2 Một số loại Peltier nhiệt độ cao
Loại Imax
(A)
Qmax (W)
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
DTmax (Potted)
A (mm)
B (mm)
C (mm) VT-127-1.0-1.3-71 3.6 36 16.1 71 69 30 30 3.6
Trang 28VT-127-1.4-1.5-71 8 80 16.1 71 69 40 40 3.4 VT-127-1.4-1.5-72 6.1 62 16.3 72 70 40 40 3.9
VT-199-1.4-1.15 7.9 120 24.6 69 68 40 40 3.6 VT-199-1.4-1.8 11.3 172 24.6 69 66 40 40 3.2 VT-31-1.0-1.3 3.9 8.4 3.8 69 64 14.8 14.8 3.6
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
C (mm)
D (mm)
H (mm) TE-109-0.6-0.8 2.1 16.9 13.4 68 12 12 26 26 2.55
Loại này có hiệu suất thấp hơn các loại Pelttier khác.
Trang 29Hình 1.9 Peltier nhiều giai đoạn
Bảng 1.4 Một số loại Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn
(A)
Qmax (W)
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
C (mm)
D (mm)
H (mm) TE-2-(127-127)-1.3 2.8 16.1 15.4 83 30 30 30 30 8.45
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
OD (mm)
ID (mm)
H (mm)
CH-38-1.0-0.8 5.8 16.8 4.7 69 24 9.8 3.1
RD-253-1.4-1.5 6.1 119 31.7 70 62 0 3.9
1.4.6 Peltier hình chữ nhật có tâm lỗ tròn:
Trang 30Peltier hình chữ nhật có trung tâm lỗ tròn có công dụng giống loạiPeltier có tân lỗ tròn nhưng có công suất lớn hơn Loại này thích hợp cho việcchống ẩm, những module này nhiệt độ có thể lên đến 80 (°C).
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
ID (mm)
H (mm)
CH-41-1.0-0.8 5.7 18.6 5.3 68 22.5 17.5 9.5 3.1
1.4.7 Peltier ghép song song:
Khi hệ thống cần công suất lớn, ta có thể sử dụng Peltier ghép nối songsong Có thể mắc nối tiếp nguồn một chiều cho chúng
Hình 1.12 Peltier ghép song song
Bảng 1.7 Một số loại Peltier ghép song song
Loại Imax
(A)
Qmax (W)
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
C (mm)
D (mm)
H (mm) SP-254-1.0-2.5 ser 1.9
par 3.7 36.6 ser 31.8par 15.9 70 40 40 40 40 4.8
Trang 31Peltier dạng chuẩn có nhiều thông số kích thước và dải dòng điện, điện
áp cho người dùng lựa chọn Peltier dạng chuẩn chỉ có kích thước hình vuônghoặc chữ nhật Loại này phù hợp cho khách hàng muốn tự xây dựng hệ thống
ổn định nhiệt độ
Hình 1.13 Peltier loại chuẩn
Bảng 1.8 Một số loại Peltier dạng chuẩn
Loại Imax
(A)
Qmax (W)
Vmax (V)
DTmax (th=300k)
A (mm)
B (mm)
H (mm) TE-63-1.4-1.15 7.9 37.9 7.8 69 20 40 3.6
Trang 32TE-127-1.4-1.5 6.1 60 15.9 70 40 40 3.9
TE-127-1.4-1.15 7.9 76 15.7 69 40 40 3.4
TE-127-1.4-1.05 8.6 84 15.7 69 40 40 3.3
Hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt Peltier
có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn Tấm Peltier được kẹp giữa hai miếng kim loại
có nhiều cánh tản nhiệt Để tăng hiệu suất làm mát, hai mặt cánh tản nhiệtthường lắp đặt thêm quạt gió Phía nóng sẽ tỏa nhiệt nóng ra môi trường, phíalạnh có thể gắn trực tiếp lên bề mặt linh kiện công suất hoặc trữ lạnh trong tủchứa thiết bị điện tử cần làm mát
Tùy theo nhu cầu sử dụng để chọn loại công suất thích hợp Với những
hệ thống thiết bị lớn, muốn nâng cao công suất có thể lựa chọn Peltier có hiệusuất cao hoặc Peltier ghép song song, ngoài ra có thể ghép nối nhiều tấmPeltier đơn hiệu suất cao với nhau
Một số cơ cấu làm mát bằng Peltier có thiết kế nhỏ gọn được thương mạihóa trên thị trường quốc tế hiện nay
Hình 1.14 Một số cơ cấu làm mát sử dụng Peltier
1.5 Các yêu cầu ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện điện tử.
Trang 33Mọi thiết bị sử dụng điện năng đều phát ra nhiệt bởi nhiệt năng được sinh
ra trong quá trình truyền dẫn điện năng trong vật dẫn Nói một cách khác, sựchuyển động của các electron hỗn loạn trong kim loại va đập vào các nútmạng trong cấu trúc tinh thể tạo ra nhiệt năng Mọi thiết bị đều dùng dây dẫntín hiệu điện bằng kim loại Các vật chất bán dẫn khác cũng sinh ra nhiệt khilàm việc
Sự phát sinh nhiệt trong các thiết bị điện, điện tử là điều không mongmuốn Mặt khác khi nhiệt độ tăng lên đến một giới hạn chịu đựng nhất địnhthì các thiết bị này sinh nhiễu hoạt động không ổn định, và có thể dẫn đến làmdừng hệ thống (treo máy) hoặc hư hỏng thậm chí gây cháy nổ
Các thiết bị điện tử dân dụng đặc biệt các thiết bị điện tử trong lĩnh vựcviễn thông, khoa học vũ trụ ngày càng phát triển Bên cạnh việc nâng cao chấtlượng hệ thống, việc ổn định nhiệt độ cho các thiết bị luôn được coi trọng từcác nhà sản xuất bởi mật độ tích hợp các bộ điều khiển ngày càng cao, chúngluôn được thử nghiệm kỹ lưỡng để hệ thống có thể làm việc bình thường vàphù hợp với môi trường khí hậu tại các thị trường mà sản phẩm đó sẽ đến Nhiệt độ có sự ảnh hưởng lớn đến thiết bị điện tử nên yêu cầu ổn định nhiệt
độ cho các thiết bị đó là luôn đảm bảo nhiệt độ trong giới hạn làm việc chothiết bị điện tử phù hợp với điều kiện và nơi làm việc của thiết bị
1.6 Kết luận chương 1.
Qua việc tìm hiểu ưu, nhược điểm của các phương pháp ổn định nhiệt độ ởtrên cho thấy, tùy theo lĩnh vực ứng dụng khác nhau nhà sản xuất đưa ra hệthống ổn định nhiệt độ phù hợp Đối với lĩnh vực thực phẩm và đời sống thìcác hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất làm lạnh có rất nhiều ưuđiểm Với các thiết bị điện tử ổn định nhiệt độ cho chúng trên cơ sở hiệu ứngđiện nhiệt Peltier có tính ứng dụng rất cao bởi thời gian đáp ứng nhanh, thiết
Trang 34bị nhỏ gọn dễ lắp đặt, việc điều khiển các tấm Peltier trở lên dễ dàng bằng các
vi xử lý chuyên dụng
Các thiết bị cầm tay như máy tính xách tay ngày càng phổ biến, bêncạnh việc nâng cao hiệu năng hoạt động thiết bị, tính thẩm mỹ của sản phẩmcũng được nhà sản xuất rất quan tâm, thể hiện ở việc các nhà sản xuất luôntìm cách giảm độ dầy sản phẩm Việc ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt Peltier để
ổn định nhiệt độ cho chíp máy tính rất có thể sẽ được ứng dụng bởi nó giúpgiảm đáng kể kích độ dầy máy và tăng khả năng ổn định nhiệt độ so vớiphương pháp làm mát tự nhiên hoặc bằng quạt gió
Trong lĩnh vực viễn thông, việc làm mát các máy chủ có ý nghĩa hết sứcquan trọng, giúp ổn định tín hiệu đường truyền dữ liệu Ứng dụng hiệu ứngđiện nhiệt Peltier làm mát các chíp máy chủ là rất khả quan
Ngoài ra ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt Peltier trong lĩnh vực y tế có ýnghĩa lớn như chế tạo tủ bảo quản vaccin hay có thể sử dụng Peltier làm máysưởi ấm dịch truyền trong y tế…
Chương 2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
SỬ DỤNG CẶP NHIỆT ĐIỆN PELTIER.
Ở chương một đã lựa chọn được phương pháp ổn định nhiệt độ các thiết bịđiện tử bằng việc ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt Peltier Chương hai sẽ xâydựng sơ đồ chức năng thiết bị ổn định nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện Peltier
2.1 Phân tích xây dựng sơ đồ khối.
2.1.1 Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử.
Trang 35Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ ổn định nhiệt độ
Để ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử, đầu vào đặt nhiệt độ mong muốn
là to đặt, khi thiết bị chứa trong tủ làm việc sẽ phát sinh ra nhiệt làm nhiệt độtrong tủ tăng lên quá giới hạn đặt thì cảm biến đưa ra phản hồi dòng điện ∆t
về bộ điều khiển Bộ điều khiển Control sẽ đưa ra tín hiệu uđk tác động tới bộbiến đổi DC/DC làm thay đổi giá trị dòng điện đặt vào tấm Peltier khi đónhiệt độ trên bề mặt tấm Peltier thay đổi Phía mặt lạnh sẽ làm ổn định nhiệt
độ trong tủ điện, phía mặt nóng sẽ tản nhiệt ra môi trường nhờ quạt làm mát
Bộ ổn định nhiệt độ gồm các khối:
- Khối điều khiển Control;
- Khối biến đổi DC/DC;
- Khối cảm biến;
- Khối làm mát thiết bị;
2.1.2 Chức năng các khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử.
- Khối điều khiển control: tín hiệu đầu vào từ khối cảm biến đưa về khốiđiều khiển Khối điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điện áp uđk điều khiển bộ biếnđổi DC/DC theo luật điều khiển sẽ xây dựng Quá trình điều khiển được thựchiện bởi vi điều khiển
- Khối biến đổi DC/DC: nhận tín hiệu từ khối điều khiển, đưa ra mứcdòng và áp phù hợp để điều khiển các tấm Peltier
- Khối cảm biến: đo nhiệt độ hiện tại của tủ điện cần làm mát, cấp tín hiệucho bộ điều khiển
Trang 36- Khối làm mát thiết bị: sử dụng Peltier cooler để làm mát thiết bị điện tửtrên phương thức trao đổi tán xạ nhiệt Giả thiết cần làm mát tủ điện có kíchthước 25 x 35 x 10 (cm), thiết bị điện chứa trong tủ có công suất nhiệt 10(W).
2.2 Tính toán lựa chọn các khối bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 2.2.1 Khối điều khiển bộ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử.
Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển
Cơ chế điều chỉnh thay đổi nhiệt động bằng cách thay đổi dòng điện mộtchiều đi vào tấm Peltier Nguồn điện sử dụng là nguồn một chiều, để thay đổiđược dòng điện đầu ra cấp cho Peltier ta sử dụng bộ biến đổi DC/DC, điềuchỉnh theo nguyên lý thay đổi độ rộng xung PWM Để điều khiển tấm Peltier
ta sử dụng các vi xử lý chuyên dụng trong luận văn này ta sử dụng vi điềukhiển Atmega 16 Vi điều khiển này có đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiểncho hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ sử dụng tấm Pelter Atmega 16 sẽđiều chỉnh độ rộng xung để thay đổi giá trị điện áp bộ biến đổi DC-DC, khiđiện áp đặt lên tấm Peltier thay đổi thì nhiệt độ tấm Peltier sẽ thay đổi theođáp ứng việc làm mát các thiết bị điện, điện tử
* Kiến trúc vi điều khiển Atmega16.
Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất năm 1996
Trang 37Hình 2.3 Vi điều khiển Atmega 16.
ATmega16 là một lọai vi điều khiển có nhiều tính năng đặc biệt thíchhợp cho việc giải quyết những bài toán điều khiển trên nền vi xử lý bởi: + Các loại vi điều khiển AVR rất phổ biến trên thị trường Việt Nam nênkhông khó khăn trong việc thay thế và sửa chữa hệ thống lúc cần + Giá thành của dòng vi điều khiển này khá phải chăng Các phần mềmlập trình và mã nguồn mở có thể tìm kiếm khá dễ dàng trên internet Các thiết
kế demo phổ biến nên có nhiều gợi ý tốt cho người thiết kế hệ thống
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năngthực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, Atmega16 có thể đạtđược tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1triệu lệnh/s/MHz), các lệnh được xử lýnhanh hơn, tiêu thụ năng lượng thấp
Atmega16 có cấu trúc RISC với đặc điểm sau:
+ Có 131 lệnh, hầu hết được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp;
+ 32x8 thanh ghi đa dụng;
+ Full static operation;
+ Tốc độ làm việc 16 (MPIS), với thạch anh 16 (MHZ);
Bộ nhớ:
+ Có 16 (kb) IPS Flach với khả năng 10.000 lần ghi/xóa;
+ Có 512 (byte) EEPROM;
Trang 38+ Có 1 (kb) SRAM ngoại;
Giao tiếp JTAG:
+ Khả năng quét toàn diện theo chuẩn JTAG;
+ Hỗ trợ khả năng gỡ rối;
+ Lock bit qua giao tiếp ITAG;
Ngoại vi:
+ 2 timer/ counter 8 bit với các mode: so sánh và chia tần số;
+ 1 timer/counter 16 bit với các mode: so sánh, chia tần số, capture,PWM;
+ 1 timer thời gian thực với bộ chia giao động riêng biệt;
+ 4 kênh PWM (hoặc nhiều hơn với vi điều khiển khác thuộc họ này); + 8 kênh biến đổi ADC 10 bít;
+ Hỗ trợ giao tiếp I2C;
+ Bộ giao tiếp nối tiếp lập trình được USART;
+ Giao tiếp SPI;
+ Watch dog timer với bộ dao động on-chip riêng biệt;
Những thuộc tính đặc biệt:
+ Power on reset vaf Brown-out detection;
+ Chế độ hiệu chỉnh bộ sai số cho bộ dao động RC on-chip;
+ Các chế độ ngắt ngoài và trong đa dạng;
+ 6 mode sleep: Idle, ADC noise reduction, tiết kiệm năng lượng,power-down, stanby, extenđe standby;
Các cổng vào ra:
+ Sơ đồ chân vi điều khiển atmega 16L:
Trang 39Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển + Atmega 16L có 32 chân I/O lập trình được;
+ Vỏ được đóng gói với 44 chân;
Nguồn cấp:
+ Nguồn cấp cho Atmega 16L từ 2,7 đến 5,5 (V);
Tiêu hao năng lượng:
+ Khi hoạt động tiêu thụ dòng 1,1 (mA);
+ Ở mode Idle tiêu thụ dòng 0,35 (mA);
+ Ở chế độ power down tiêu thụ dòng nhỏ hơn 1(uA);
2.2.2 Khối biến đổi điện áp một chiều DC/DC.
Bộ biến đổi DC-DC tạo điện áp một chiều điều chỉnh được cung cấpnguồn cho tấm Peltier Các bộ biến đổi DC-DC là các bộ biến đổi xung, nó cóthể là các bộ biến đổi một góc phần tư, hai góc phần tư, bốn góc phần tư Bộgiảm áp Buck và bộ tăng áp Boost là các cấu trúc biến đổi một góc phần tư cơbản Bộ biến đổi xung hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòngđiện Ở bộ biến đổi xung một góc phần tư, giá trị trung bình điện áp một chiềuđầu ra luôn được giữ một mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thườngđiện áp đầu vào và điện áp đầu ra tải Các bộ biến đổi xung này chỉ làm việc ở
Trang 40góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng tải, điện áp ra và dòng điện luôn có giá trịdương Vì vậy bộ biến đổi này gọi là bộ biến đổi xung một góc phần tư Bộbiến đổi xung hai góc phần tư có khả năng hoạt động ở hai góc phần tư củamặt phẳng tải (v-i) Do vậy điện áp vào và điện áp ra luôn dương, nhưng dòngđiện đầu vào và ra có thể âm hoặc dương Do đó một số bộ biến đổi còn cótên bộ biến đổi xung đảo dòng
Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thựchiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch là dùng các tụ điện chuyểnmạch và dùng các điện cảm chuyển mạch Dùng các tụ điện chuyển mạch thì
ta phải tạo được nguồn dòng là tín hiệu đầu vào còn với việc dùng điện cảmchuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp Ta thấy dùng điện cảm chuyển mạch sẽđơn giản hơn vì tạo ra một nguồn áp dễ dàng hơn tạo ra một nguồn dòng Giảipháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm:buck (giảm áp), boost (tăng áp), buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Vớinhững cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, diode khác nhau thì các bộbiến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau nhưng nguyên tắc hoạtđộng đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm [1] [6]
2.2.2.1 Bộ biến đổi hạ áp - Buck converter.
Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, việc điềukhiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu
kỳ kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converterthông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạchnguồn máy tính và các thiết bị đo lường Ngoài ra bộ buck converter còn được
sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện ápphần ứng [1] [6]
- Sơ đồ nguyên lý: