Thiết kế và thi công thiết bị mạ điện

Thế kỷ XX đã đánh dấu nhiều phát minh quan trọng. Một trong những phát minh đó đã cho ra đời ngành công nghiệp điện tử, sử dụng các thiết bị bán dẫn có công suất lớn như : Diode, Triac, Tranzitor, chịu được điện áp cao và dòng điện lớn kể cả trong thiết bị bán dẫn cực nhỏ như : vi mạch, vi mạch đa chức năng… Ngày nay không riêng gì ở các nước phát triển , ngay ở nước ta thiết bị bán dẫn đã xâm nhập vào các ngành công nghiệp, các xí nghiệp nhà máy như xi măng, thủy điện, dệt, đóng tàu… . Công nghệ mạ đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của điện tử. Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp. Đặc biệt là ngành công nghiệp mạ điện nó ứng dụng điện tử công suất tạo ra nguồn điện một chiều ổn định phù hợp với mạ điện tham gia vào điều khiển trong suốt quá trình mạ. Nhờ mạ điện ta tạo ra các sản phẩm có độ bền cao, nâng cao tính thẩm mỹ để phục vụ cho y tế và các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày.Nhận thấy được vai trò của ngành công nghệ mạ điện đối với cuộc sống ngày nay nên em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “thiết kế và thi công thiết bị mạ điện”Đề tài này gồm 3 chương:+Chương 1: Tổng quan đề tài+Chương 2: Xây dựng sơ đồ khối và phương án thiết kế+Chương 3: Thiết kế phần cứng và và lưu đồ thuật toánphương pháp nghiên cứu của đề tài là tính toán thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồ thuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế và các lưu đồ thuật toán vừa xây dựng.đề tài đã thiết kế, thi công thành công thiết bị mạ. Có thể mạ nhiều giai đoạn theo các mức điện áp khác nhau. Có thể giám sát hoạt động trực tiếp qua LCD hay qua máy tính.

Trang 1

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông

Đại học bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là : Nguyễn Bá Phong

Lớp : 09DT3

Đề tài tốt nghiệp : Thiết kế và thi công thiết bị mạ điện

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật từ thầy cô và hội đồng bảo vệ

Em xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, Ngày 31 tháng 5 năm 2014

Ký tên

Nguyễn Bá Phong

Trang 2

- Chương trình: đọc giá trị ADC điện áp và dòng điện, giao tiếp máy

tính(chương trình vi điều khiển và visual basic) Ghép nối để hoàn thiện chương trình

Trang 3

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 2

NHIỆM VỤ CHUNG: 2

MỞ ĐẦU 5

1.1 G IỚI THIỆU CHƯƠNG

7 1.2 T ÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

7 1.3 C ÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA MỘT BỘ MẠ ĐIỆN

8 1.3.1 Đ IỆN CỰC ANỐT :

9 1.3.2 Đ IỆN CỰC CATÔT

9 1.3.3 D UNG DỊCH MẠ

10 1.3.4 C HẤT PHỤ GIA

10 1.3.5 N GUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU

11 1.4 C ÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MẠ

11 1.4.1 G IAI ĐOẠN CHUẨN BỊ

11 1.4.2 G IAI ĐOẠN MẠ

11 1.4.3 G IAI ĐOẠN HOÀN THIỆN

11 1.5 C ÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG MẠ

12 1.6 M ỘT SỐ THIẾT BỊ MẠ ĐIỆN

14 1.6.1 M Ô PHỎNG THIẾT BỊ MẠ ĐIỆN

15 1.6.2 T HIẾT BỊ MẠ ĐIỆN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

15 1.6.3 B Ộ NGUỒN : M ÁY XI MẠ "H IGH P OWER S WITCH "

16 1.6.4 M ODEL : AI.CL - 12V/50A

18 1.7 K ẾT LUẬN CHƯƠNG

22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ 23

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 23

2.1 G IỚI THIỆU CHƯƠNG

23 2.2 N ỘI DUNG ĐỀ TÀI

23 2.3 X ÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

23 2.3.1 NHIỆM VỤ CỦA TỪNG KHỐI MẠCH

23 2.3.1.1 Nhiệm vụ khối mạch điều khiển 23

2.3.1.2 Nhiệm vụ khối mạch công suất 24

2.3.1.3 Sơ đồ khối tổng quát của mạch 24

2.3.2 L ỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO TỪNG KHỐI MẠCH

25 2.3.2.1 Mạch chỉnh lưu 25

2.3.2.2 Mạch công suất 26

2.3.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 28

2.3.2.4 Mạch đo dòng, đo áp 28

2.3.2.4.1 Mạch đo dòng 28

2.3.2.4.2 Mạch đo điện áp 30

2.3.2.5 Mạch đo nhiệt độ 31

2.3.2.6 Mạch cảnh báo 32

2.3.2.6.1 Mạch LED báo 32

2.3.2.6.2 Mạch điều khiển loa 33

2.3.2.7 Mạch giao tiếp máy tính 34

2.3.2.8 Mạch hiển thị 34

2.3.2.9 Mạch nguồn nuôi 35

Trang 4

2.4 K ẾT LUẬN CHƯƠNG

37 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH 38

3.1 M Ở ĐẦU CHƯƠNG

38 3.2 S Ơ ĐỒ MẠCH

38 3.3 T HIẾT KẾ MẠCH

40 3.3.1 M ẠCH CHỈNH LƯU

40 3.3.2 M ẠCH CÔNG SUẤT

41 3.3.2.1 Tính chọn IGBT và các tụ 41

3.3.2.2 Tính toán biến áp xung 43

3.3.2.2.1 Cách chọn lõi biến áp 43

3.3.2.2.2 Tính toán số vòng dây 45

3.3.2.2.3 Tính toán đường kính cho dây cuốn 46

3.3.3 M ẠCH NGUỒN NUÔI

47 3.3.4 T HIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

49 3.3.4.1 Mạch đo dòng điện 49

3.3.4.2 Mạch đo điện áp 50

3.3.4.3 Mạch cảnh báo 51

3.4 P HẦN CHƯƠNG TRÌNH

53 3.4.1 L ƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH :

54 3.4.2 L ƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON CÀI ĐẶT

54 3.4.4 L ƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON ĐIỀU KHIỂN

56 3.4.5 T HUẬT TOÁN QUÉT PHÍM

57 3.4.6 L ƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CHƯƠNG TRÌNH V ISUAL B ASIC

57 3.5 K ẾT LUẬN CHƯƠNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

Trang 5

MỞ ĐẦU

Thế kỷ XX đã đánh dấu nhiều phát minh quan trọng Một trong những phát minh

đó đã cho ra đời ngành công nghiệp điện tử, sử dụng các thiết bị bán dẫn có côngsuất lớn như : Diode, Triac, Tranzitor, chịu được điện áp cao và dòng điện lớn kể cảtrong thiết bị bán dẫn cực nhỏ như : vi mạch, vi mạch đa chức năng… Ngày naykhông riêng gì ở các nước phát triển , ngay ở nước ta thiết bị bán dẫn đã xâm nhậpvào các ngành công nghiệp, các xí nghiệp nhà máy như xi măng, thủy điện, dệt,đóng tàu… Công nghệ mạ đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu củađiện tử Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp Đặc biệt

là ngành công nghiệp mạ điện nó ứng dụng điện tử công suất tạo ra nguồn điện mộtchiều ổn định phù hợp với mạ điện tham gia vào điều khiển trong suốt quá trình mạ.Nhờ mạ điện ta tạo ra các sản phẩm có độ bền cao, nâng cao tính thẩm mỹ để phục

vụ cho y tế và các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong cuộc sốnghàng ngày

Nhận thấy được vai trò của ngành công nghệ mạ điện đối với cuộc sống ngày nay

nên em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “thiết kế và thi công thiết bị mạ

điện”

Đề tài này gồm 3 chương:

+ Chương 1: Tổng quan đề tài

+ Chương 2: Xây dựng sơ đồ khối và phương án thiết kế

+ Chương 3: Thiết kế phần cứng và và lưu đồ thuật toán

phương pháp nghiên cứu của đề tài là tính toán thiết kế mạch, xây dựng các lưu đồthuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế và cáclưu đồ thuật toán vừa xây dựng

đề tài đã thiết kế, thi công thành công thiết bị mạ Có thể mạ nhiều giai đoạn theocác mức điện áp khác nhau Có thể giám sát hoạt động trực tiếp qua LCD hay quamáy tính

Trang 6

Để hoàn thành được đề tài này, em xin chân thành cảm ơn các Thầy hướng dẫn Lê HồngNam và Lê Xứng đã theo sát, chỉ dạy hết sức tận tình em trong suốt quá trình làm đố án,cám ơn các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất cho em thựchiện đề tài

Trang 7

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chương

Ngày nay, mạ điện đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp.Được sử dụng để chống ăn mòn, tăng độ dẫn điện, dẫn nhiệt, làm đồ trang sức…Mạđiện là quá trình kết tủa của kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất

cơ, lý, hóa… đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn

Vật cần mạ và lớp mạ có thể là kim loại, hợp kim đôi khi còn là chất dẻo, gốm,

sư hoặc composit Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khácnhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, làm đồ trang sức…

Một bộ mạ điện bao gồm: điện cực anot, điện cực katot, dung dịch mạ, chất phôgia và nguồn một chiều Nguồn một chiều có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ.Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều bộ nguồn dành cho mạ điện Ta sẽ cùng tìmhiểu và phân tích một số thiết bị đó

1.2 Tìm hiểu về công nghệ mạ điện

Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ănmòn, phục hồi kích thước, làm đồ tranh sức, tăng độ cứng, độ dẫn điện, dẫn nhiệt,phản quang, dễ hàn…

Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻogốm sứ hoặc composit Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn cóthể là composit của kim loại -chất dẻo hoặc kim loại –gốm…Tuy nhiên việc chọnvật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chấtcần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, sẵn cócòn vật liệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lơp mỏng bên ngoài

Trang 8

Một cách đơn giản nhất có thể hiệu mạ điện là quá trình kết tủa của kim loại lên

bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hóa… đáp ứng được các yêu cầu

kỹ thuật mong muốn Tuy nhiên chỉ có những công nghệ nào ổn đinh trong mộtthời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được ứng dụng vàotrong sản xuất

Các phần chính của một bộ mạ điện gồm:

Trang 9

(1) Dung dịch mạ gồm có muối dẫn điện, ion kim loại sẽ kết tủa thành líp

mạ, chất đệm, các chất phụ gia

(2) Catot dẫn điện, chính là vật cần được mạ

(3) Anot dẫn điện, có thể tan hoặc không tan

(4) Bể chứa bằng thép lót caosu, polypropylen, polyvinyclorua, là các vật liệu chịu được dung dịch mạ

(5) Nguồn điện một chiều, thường dùng để chỉnh lưu

Quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện có sơ đồ như sau:

1.3.1 Điện cực anốt:

Trong mạ điện thường dùng điện cực anốt tan bằng kim loại làm lớp mạ.Trong quá trình anốt bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung dịch,đảm bảo nồng độ ion trong dung dịch là không đổi.Phản ứng trên anốt lúc này là:

M - ne →M n+ Trong trường hợp dùng anốt trơ nhơ :Platin,cacbon…thì quá trình chính trên anốtlà:

4OH− - 4e → 2H2O + O2 (môI trường kiềm)

2H2O - 4e → 4H+ +O2

Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phảI bổ sung thêm hó chất thích hợp

1.3.2 Điện cực catôt

Điện cực catốt là vật cần mạ ,được nối với cực âm của nguồn điện một

chiều.Trên catôt xảy ra quá trình:

Mn+ + ne → M

Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp:

Cation hyđrat hoá Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catốt

Catốt mất vỏ hyđrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catốt

Trang 10

Điện tử (e) từ catốt điền vào vàn điện tử hoá trị của cation biến nó thành phân tử trung hoà

Các nguyên tử kim loại hoặc sẽ tham gia vào thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôI lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm phát triển thành.Tinh thể kết thành lớp mạ

1.3.3 Dung dịch mạ.

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ ,chiều dày tối

đa ,mặt hàng mạ…)và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ ,chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

- Dung dịch muối đơn:Còn gọi là dung dịch axit , cấu tử chính là các muối của

các axit vô cơ hoà tan nhiều trong nước phân ly hoàn toàn thành các ion tù

do Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn giản

- Dung dịch muối phức:Ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch Ion

kim loại mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức.Dung dịch phức thường dùng trong trường hợpcần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp

1.3.4 Chất phụ gia.

- Chất dẫn điện: Đóng vai trò dẫn dòng đi trong dung dịch

- Chất bóng: Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài

gam/lit) và có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn mịn

và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm,làm tăng ứng suất nội và độ dòn

- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá

rộng (vĩ mô) Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạlớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp

Trang 11

này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử Trong thực tế, nhiều phụ gia có

cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng

- Chất thấm ướt: Trên Catot thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro Chất

này thúc đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh hơn

- Tạp chất : Là nhữnG chất không mong muốn nhưng khó tránh khỏi Chúng

có thể phóng điện hoặc hấp thụ trên Catot và lẫn vào lớp mạ gây nhiều tác hại như : bong, dộp, dũn, gai…

1.3.5 Nguồn điện một chiều.

Có thể là các nguồn khác nhau như: pin, ăc quy, máy phátđiện một chiều, có thể

dùng nguồn điện hoá học…để cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ, bể điện phân…Các nguồn điện trên có công suất nhỏ,khó tạo ra, lại không kinh tế Do đó chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong các xưởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn, dễ sản suất…

1.4 Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ

Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước nhưng có thể chia thành ba giai đoạn sau:

1.4.1 Giai đoạn chuẩn bị.

Xét đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền), mức độ nhiễm bẩn và độ nhám bề mặt của chúng Độ nhấp nhô H của bề mặt mạ bảo vệ không được vượt quá 40µm, mạ trang

sức _ bảo vệ H < 2,5µm, mạ tăng độ cứng và mạ cách điện H < 1,25µm Chọn dungdịch mạ căn cứ vào đặc tính vật cần mạ

1.4.2 Giai đoạn mạ.

Được tiến hành trong thời gian đã xác định trước.Giai đoạn này cần giữ cho dòng

mạ không đổi

1.4.3 Giai đoạn hoàn thiện.

Là giai đoạn gia công , làm đẹp, làm hoàn thiện sản phẩm.Thường là các bước

trung hoà ,tẩy sáng,lấp đầy lỗ…

Trang 12

Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday: m=S.D0.t.H.C

Trong đó:

-S : diện tích mạ (dm2)

-D0: mật độ dòng điện catôt (A/ dm2)

-t : thời gian mạ (h)

-H : hiệu suất dòng điện

-C : đương lượng điện hoá của kim loại mạ (g/∆h)

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ ,độdày lớp mạ ,độ bám chặt Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngmạ

- Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm :cần độ bền cơ học cao hay thấp,tránh bị ôxihoá mà độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng.Để dạt độ dày cần thiết cần phảI

có thời gian mạ hợp lý

- Độ bám là một chỉ tiêu rất quan trọng ,nó quyết định độ bền của sản phẩm,nếu lớp mạ sau khi mạ lại có độ bám kém thì nó rất dễ bị bung ra khi đó bềmặt vật cần mạ bị lộ ra rất dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng,vật mạ xấu …không đáp ứng được yêu cầu của mạ

- Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng,nó tăng tínhthẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức ,độ bóng cao cũng tạo chosản phẩm tăng độ bền cơ học hơn.Để tăng độ bóng thì ta dùng mạ đảo chiều

vì khi mạ thì lớp mạ phủ trên bề mặt không đều có chỗ dày có chỗ mỏng nêncần phảI có đảo chiều để cào bớt những chỗ dày hơn đi

Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ

Trang 13

- Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ.Nếu bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽkhông đều, chỗ lom, rãnh sâu

Bản chất của kim loại nền cũng ảnh hưởng đến chất lượng mạ

Thành phần dung dịch mạ

Ảnh hưởng của các yếu tố điện.

Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực Lúc đang mạ, mật độdòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mạ Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quátrình mạ.Để lớp mạ được phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi

.Cường độ dòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện D0 và phụ tải y trongbể:

I = D0.y (A)Trong đó:

Nếu mật độ dòng điện quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng không được vỡ lỳcđóng

lớp mạ sẽ bị gai, cây hoặc cháy Ngoài ra nếu dùng anot tan thỡ nú dễ bị thụ độnghơn

Trang 14

và dung dịch sẽ nghèo dần ion kim loại mạ Ngược lại nếu mật độ dòng điện quáthấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô ,không đều.Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉcho lớp mạ có chất lượng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định.Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các iôn kim loạibám vào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi

Công thức tính điện trở dung dịch nh sau:

R = l.(100 .χ.y) (Ω)

l : khoảng cách giữa các điện cực (cm)

χ : độ dẫn điện riêng của dung dịch (Ω-1.cm-1)

có thể thực hiện các phương pháp đặc biệt sau đây :

Dùng dòng xung vài ba giây đến 30 giây đầu tiên với mật độ dòng điện gấp 2 đến

3 lần bình thường Trong khoảnh khắc ấy có một lượng rất lớn các tinh thể đượchình thành trên toàn bộ bề mặt mạ, kể cả những chỗ khe, khuất,khắc phục được hiệntượng lõi, loại bỏ mạ cục bộ, thường áp dụng dòng xung cho mạ crom nhất sau đó

là mạ kẽm, sắt…

1.6 Một số thiết bị mạ điện

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các nguồn mạ điện với các thông số và tínhnăng khác nhau Sau đây sẽ là một số nguồn mạ điện đang được bán trên thị trườnghiện nay

Trang 15

1.6.1 Mô phỏng thiết bị mạ điện

Hình 1.2 : mô phỏng một thiết bị mạ điện

1.6.2 Thiết bị mạ điện trong phòng thí nghiệm

Một thiết bị mạ trong phòng thí nghiệm với đầy đủ nguồn mạ, các điện cực và bể chứa mini

Hình 1.3: Thiết bị mạ điện trong phòng thí nghiệm

Trang 16

1.6.3 Bộ nguồn : Máy xi mạ "High Power Switch"

Hình 1.4 : Máy xi mạ "High Power Switch"

Giới thiệu về máy xi mạ high power switch:

- Máy có nguồn điện đầu vào là điệp áp ba pha với 3 đèn ở phía bên trái của máy thể hiện cho ba pha A, B, C của nguồn điện

- Một công tắc nguồn ngay ở dưới ba đèn bên trái

- Bên phải thân máy có 1 đèn để cảnh báo máy làm việc quá tải

- Ở giữa phía trên đỉnh máy có 1 đèn vàng để cảnh báo máy máy bị ngắn mạch

- Có 2 LCD hiển thị giá trị điện áp và giá trị dòng điện khi làm việc

- Có 1 bộ hẹn giờ tự động và 1 nút vặn để điều chỉnh đến giá trị điện áp và dòng điện thích hợp

* Thông số kỹ thuật:

Trang 17

từ xa (tùy chọn)

Kiểu điều chỉnh Bằng tay hoặc tự động

(tùy chọn)Đặt thời gian Đặt thời gian tự động:

0.1s-100h

Điều kiện làm việc

Vị trí lắp đặt Trong nhà xường (không

Cách điện

Trở kháng cánh điện Bộ thử cách điện trên 3MW/DC 1000V

Khả năng chịu lực cách điện AC 2000V/1 phút (tần sốthông dụng)

Trang 18

1.6.4 Model: AI.CL - 12V/50A

Hình 1.5: Model: AI.CL - 12V/50A

Giới thiệu về máy AI.CL - 12V/50A

Hình 1.6: Bên trái thân máy AI.CL - 12V/50A

Phía bên trái thân máy có 1 lỗ cắp cấp nguồn và nút bấm mà đỏ to để khởi động máy

Dùng công tắc để lựa chọn chế độ điều khiển bằng tay hay làm việc tự động cho máy

Hai LCD hiển thị đo dòng điện và điện áp trong quá trình làm việc của máy để điều chỉnh cho phù hợp Dùng nút vặn to dưới cùng để điều chỉnh mức điện áp cần thiết

Trang 19

Hình 1.7: Bên phải thân máy AI.CL - 12V/50A

Phía bên phải thân máy gồm có 1 bộ hiển thị thời gian làm việc, một bộ hẹn giờ làm việc và một bộ để đo nhiệt độ của máy

Bên dưới ba bộ đó là ba công tắc để đóng/mở các bộ phận trên làm việc

Thông số kĩ thuật:

Giới thiệu chung

Phương thức chỉnh lưu Chỉnh lưu tần số caoPhương thức làm mát Bằng gió cưỡng bức

Phạm vi điều chỉnh điện áp 0 ÷ 12V

Trang 20

Hiển thị dòng điện, điện áp Hiển thị sốPhương thức thao tác Tại chỗ

dụng)

Kích thước

Trọng lượng

Trang 21

Phân tích các tính các thiết bị mạ hiện nay

Thông qua việc tìm hiểu một số thiết bị mạ điện ta rút ra được 1 vài nhận xét nhưsau:

- Thông số chính là dòng điện và điện áp tối đa: Các nguồn mạ thường có dòng điệncao vì đặc tính mạ điện hóa cần dùng nhiều electron Điện áp của các nguồn mạ cóthể thấp hoặc cao tùy thuộc vào đặc điểm của dung dịch và kim loại cần mạ.Thường thì điện áp mạ thấp để giảm công suất của nguồn vì dòng điện của nguồntương đối cao

- Các loại nguồn mạ đều sử dụng chỉnh lưu tần số cao(dùng biến áp xung) Vì nhưvậy sẽ làm tăng hiệu suất cho biến áp, giảm kích thước hơn rất nhiều so với sử dụngbiến áp sắt từ

- Nguồn điện vào là điện lưới 1 pha 220VAC/50Hz Các nguồn mạ có công suấtkhông quá lớn thì việc sử dụng điện lưới 1 pha là phù hợp với công suất của nguồn.Nếu sử dụng trong các bể mạ lớn, quy mô công nghiệp có thể dùng nguồn cung vào

3 pha để tương ứng với tải công suất lớn

- Điện áp ra có thể điều chỉnh được từ 0 ÷ Vmax

- Thường có phần hiển thị dòng, áp bằng số Phần hiển thị này thường dùng led 7đoạn để hiển thị giá trị dòng điện và điện áp thực tế đo trên mạch Điều này cầnthiết cho người điều khiển, vận hành thiết bị

- Thao tác tại chỗ, điều chỉnh bằng tay: các thiết bị này không có bộ điều khiển từ

xa nên mọi thao tác đều thực hiện tại chỗ và tự điều chỉnh các nút nhấn hay các nútxoay

- Phần mở rộng:

 Điều chỉnh điện áp ra: thay đổi điện áp cho phù hợp với yêu cầu của quátrình mạ là cần thiết và đa số các thiết bị mạ đều có được trang bị chức năngnày

 Đặt thời gian mạ: tùy thuộc vào độ tự động hóa của nguồn, một số nguồn mạ

có thể có chức năng này để nguồn tự ngắt khi mạ xong(thời gian này dongười vận hành tự nhập tùy theo yêu cầu của quá trình mạ) mà không cầncông nhân phải giám sát suốt thời gian mạ

 Đo và điều khiển nhiệt độ: điều này rất cần thiết để bảo vệ thiết bị khi điềukiện nhiệt độ tăng quá cao vượt quá mức chịu đựng của các linh kiện trongmạch Vì vậy, đa số các thiết bị mạ đều có chức năng đo, điều khiển nhiệt độ

Trang 22

 Điều khiển bơm dung dịch: thêm dung dịch vào bể mạ là chức năng của cácthiết bị để tăng cường khả năng tự động hóa trong các quá trình mạ đòi hỏithời gian dài cần thêm dung dich vào bể mạ

- Các điều khiện làm việc: Các nguồn mạ không yêu cầu quá khắc khe về điều kiệnlàm việc

1.7 Kết luận chương

Ngành mạ điện đóng góp phần rất quan trọng cho các linh vực trong đời sống.Qua đây ta cũng tìm hiểu được quy trình của công nghệ mạ điện Các yếu tốt ảnhhưởng đến chất lượng mạ điện về các mặt như dòng điện và điện áp để có thể điềuchỉnh mức dòng điện và điện áp phù hợp để có sản phẩm mạ tốt nhất Các ưu vànhược điểm còn tồn tại trong ngành mạ điện

Các thiết bị mạ điện trên thi trường hiện nay có bày bán với những tính năngthuận tiện cho việc điều khiển quá trình mạ Các tong số điện của máy có thể đượcđiều chỉnh để phù hợp với từng kiểu mạ điện

Từ việc tìm hiểu về quy trình mạ và các máy thiết bị mạ điện hiện nay ta có thể xâydựng lên sơ đồ khối của mạch, các chức năng phụ thêm cho máy mạ cần thiết kế sẽđược trình bày ở chương 2

Trang 23

Chương 2: Xây dựng sơ đồ khối và phương án thiết kế

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Giới thiệu chương

Một máy mạ điện sẽ thực hiện được các yêu cầu: cung cấp đủ dòng điện và điện

áp cho quá trình mạ, ngoài ra để dễ dàng cho quá trình mạ điện ta sẽ thự hiện thêmmột số chức năng hiển thị dòng điện và điện áp thông qua LCD, nhập các giá trị yêucầu từ bàn phím và cảnh báo các chế độ làm việc của máy Ngoài ra, máy còn có thểthực hiện chức năng hẹ giờ cho các quá trình mạ khác nhau

Để thực hiện được các nhiệm vụ đó, trong chương này ta sẽ tiến hành xây dựng

sơ đồ khối các chức năng và nhiệm vụ của từng khối mạch cho mạch tổng quát vàđưa ra các phương án thiết kế

2.2 Nội dung đề tài

nguồn xoay chiều

 Hiển thị dòng điện, điện áp: hiển thị số bằng LCD

 Kiểu báo hiệu: báo hiệu tại chỗ

 Kiểu điều chỉnh: bằng tay

2.3 Xây dựng sơ đồ khối và đưa ra phương án thiết kế

Để dễ dàng cho thiết kế ta chia khối mạch thành 2 phần chính

• Phần điều khiển

• Phần công suất

2.3.1 nhiệm vụ của từng khối mạch

2.3.1.1 Nhiệm vụ khối mạch điều khiển

Khối này có nhiệm vụ:

- Tạo xung kích cho khối công suất làm việc

Trang 24

- Đo điện áp và dòng điện từ OUTPUT để điều chỉnh

- Đo nhiệt độ từ khối mạch công suất

- Hiển thị dòng điện, điện áp và nhiệt độ thông qua LCD

- Giao tiếp máy tính

- Để thực hiện các chức năng trên ta thông qua vi điều khiển

- Ngoài ra, ta phải tạo ra nguồn nuôi có giá trị điện áp 5V và 12V để cung cấp nguồn cho các linh kiện làm việc

2.3.1.2 Nhiệm vụ khối mạch công suất

Khối này có nhiệm vụ:

- Chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều

- Tạo ra nguồn một chiều 24V-50A thông qua biến áp

- Lọc tín hiệu ra

2.3.1.3 Sơ đồ khối tổng quát của mạch

Từ phân tích nhiệm vụ của từng khối mạch ta có sơ đồ khối tổng quát toàn mạch:

Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn mạch

Phân tích nguyên lý của sơ đồ khối

- Điện áp từ lưới điện 220V/50Hz qua mạch chỉnh lưu thành điện áp một chiều

Trang 25

- Biến áp xung biến điện áp 300V thành điện áp thấp hơn

- Mạch lọc để lọc điện áp ra thành 24VDC

- Điện áp và dòng điện ra được đưa về các bộ ADC của vi điều khiển qua bộ phảnhồi dòng và áp

- Nhiệt độ trên mạch cũng được đưa vào vi điều khiển qua mạch đo nhiệt độ

- Vi điều khiển nhận các tín hiệu trên, xử lí và điều khiển mạch cảnh báo và mạchhiển thị, xuất xung PWM

- Nguồn điện phụ sẽ cấp nguồn cho vi điều khiển, và các khối mạch ở phần điềukhiển

2.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế cho từng khối mạch

2.3.2.1 Mạch chỉnh lưu

Mạch này có tác dụng chuyển định áp xoay chiều thành một chiều để cung cấp điện

áp Vcc cho mạch công suất làm việc

Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu để thực hiện và các tụ để làm giảm độ gợn của tín hiệu ra

• Tụ C1, cuộn dây L1 và tụ C2 có chức năng lọc nhiễu cao tần bám theo đường điện AC 220V

• F1 là cầu chì bảo vệ trong trường hợp bị chập tải 300V DC hoặc chập các đi

Trang 26

Ta có :

2

rip

I V

=

Trong đó : V rip là điện áp gợn trên tụ

2.3.2.2 Mạch công suất

Nhiệm vụ : chuyển điện áp DC thành điện áp có tần số cao đưa vào biến áp xung

Ta chọn phương án sử dụng mạch cầu H để thực hiện chức năng này

Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải Tín hiệu điều khiển nhỏ thường là tín hiệuđầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động

cơ cần dòng điện và điện áp lớn Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải Nên thế mới dùng mạch cầu H

Trang 27

- Các điện trở R9, R10, R3, R4 là các điện trở nồi cực G và cực E của IGBT

có tác dụng để kéo tín hiệu nhanh về mức 0 hơn, tăng tốc độ làm việc củaIGBT

- IC IR2110 có tác dụng kích cho mạch cầu H dẫn

- Mạch cầu H gồm 4 IGBT Q1, Q2, Q3, Q4 tạo thành 2 cặp thay nhau dẫn/tắtliên tục Khi Q1 và Q4 tắt thì Q2 và Q3 dẫn và ngược lại

- Các diode nối giữa cực G và cực E của các IGBT có tác dụng tăng tốc độlàm việc của IGBT, thường trong 1 số loại IGBT đã tích hợp diode này bêntrong nên khi lựa chọn linh kiện ta sẽ lựa chọn loại IGBT đó

- Các diode D9, D10, D11, D12 chống dòng xả ngược từ IGBT về IC IR2110

Trang 28

Lựa chọn máy biến áp

Vì yêu cầu của mạch đồi hỏi công suất lớn nên ta chọn biến áp xung thay cho biến

áp thường do máy biến áp xung hoạt động ở tần số cao, so với biết áp thông thườngthì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấp hàng chục lần

Hình dạng biến áp xung

Hình 2.4: Biến áp xung

2.3.2.3 Lựa chọn vi điều khiển

Hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển trên thị trường như AVR, 8051, MSP430,PIC…

Ta chọn PIC để thự hiện các chức năng của mạch điều khiển vì lý do nhiều moduleđược tích hợp sẵn bên trong PIC như ADC 10 bits, PWM, EEPROM 256 bytes.Nên khi dung PIC ta không cần thêm bộ ADC hay EEPROM nữa

2.3.2.4 Mạch đo dòng, đo áp

2.3.2.4.1 Mạch đo dòng

Đo dòng sử dụng điện trở Shunt:

• Phân tích: Dòng điện chạy qua một điện trở rất nhỏ sẽ tạo ra một điện áp rơi

Trang 29

Do điện áp trơi trên trở Shunt là rất nhỏ nên ta cần một mạch khuếch đại để nângđiện áp, thuận tiện cho phép đo Đo thực hiện phép đo nguồn công suất, có cường

độ dòng điện khá cao nên sẽ bị nhiễu tác động Vì vậy ta cần một mạch lọc để triệtnhiễu do nguồn công suất

Ta chọn sử dụng mạch khuếch đại và lọc sử dụng opamp

Mạch khuếch đại: ta chọn mạch khuếch đại không đảo và mạch lọc sử dụng mạchlọc thông thấp dùng opamp

-U 6 A

L M 3 5 8

3 2 1

+

-U 7 B

L M 3 5 8

5 6 7

R1, R2, Opamp1: khuếch đại điện áp vào

R3, R4, C, opamp2: mạch lọc nhiễu từ tầng công suất

Trang 30

2

4 4

j C

ω

ωω

+

++

Tại tần số cắt ωC ta có: ωCR C4 = 1

4

1 2

đã bị sụt trên điện trở này Vì vậy ta sử dụng một mạch trừ để có thể xác định điện

áp đặt lên tải Phần này cũng cần một mạch lọc nhiễu như phần đo dòng điện

-U 8 A

L M 3 5 8

3 2 1

R i

R i 0

0

Hình 2.6: Mạch đo điện áp

Trang 31

Có rất nhiều mạch đo nhiệt độ:

 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

• Đo nhiệt độ bằng nhiệt trở

• Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt LM35, ADC 22100

• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu

 Đo nhiệt động bằng phương pháp không tiếp xúc

• Hỏa quang kế phát xạ

• Hỏa quang kế cường độ ánh sang

• Hỏa quang kế màu sắc

Vì yêu cầu bài toán là đo nhiệt độ ở trong một phạm vi không lớn nên để đơn giản

ta chọn phương pháp sử dụng mạch đo nhiệt độ bằng cách sử dụng nhiệt trở

Ưu điểm: giá thành rẻ, phân thích thiết kế đơn giản

Nhược điểm: Phạm vi nhiệt độ làm việc không cao Sự thay đổi điện trở theo nhiệt

độ không hoàn toàn tuyến tính

Để chọn mức nhiệt độ, ta chọn mạch so sánh sử dụng opamp Sau khi phân tích ta xây dựng được sơ đồ mạch

Trang 32

+

-U 1 A

L M 3 5 8

3 2

R 4 R

• Mạch LED báo: để cảnh báo mức nhiệt độ của mạch công suất được gửi về

từ mạch đo nhiệt độ và xử lý ở vi điều khiển

• Mạch loa: có tác dụng phát ra tiếng kêu khi mạch làm việc ở trạng thái nguy hiểm (nhiệt độ cao)

2.3.2.6.1 Mạch LED báo

Sử dụng BJT để làm khóa đóng mở cho LED sáng Dùng các BJT PNP để đóng mở cho LED

Ta có mạch LED báo:

Trang 33

• Q1 nhận tín hiệu từ vi điều khiển để thực hiện chức năng đóng mở

• LED phát sáng khi tín hiệu điều khiển ở mức 0

2.3.2.6.2 Mạch điều khiển loa.

Ta sử dụng loa 12V nên sẽ dùng 1 con BJT PNP để cung cấp điện áp 5V cho mạch kích loa Để kích loa, ta dùng 1 BJT PNP để đưa điện áp 12V vào kích cho loa

Trang 34

• Q1, Q2 nhận tín hiệu từ vi điều khiển thực hiện chức năng đóng mở

• R3 là loa, sẽ phát ra tiếng kêu khi có tín hiệu vào

2.3.2.7 Mạch giao tiếp máy tính

Ta chọn giao tiếp máy tính qua sử dụng chuẩn RS485 vì các ưu điểm về tốc độ,khoảng cách và khả năng chống nhiễu của nó

Xây dựng mạch giao tiếp máy tính

- Mạch nối vi điều khiển: Có một IC MAX485 nối với các chân giao tiếp của viđiều khiển, xuất ra 2 chân A và B

- Mạch nối máy tính: Gồm một IC MAX485 nối với MAX485 trên vi điềukhiển qua 2 chân A và B MAX485 này nối với máy tính thông qua IC tạocổng COM ảo PL2303 để kết nối với máy tính

Tổng hợp 2 mạch trên, ta xây dựng được mạch giao tiếp máy tính với vi điều khiển

- VR: Điều chỉnh độ tương phản của LCD

- R2: Là trở hạn dòng cho led 34ang của LCD

Hoạt động: LCD hoạt động ở chế độ 4bits gồm 4 đường điều khiển từ vi điều khiển

Trang 35

Mạch này có nhiệm vụ tạo ra nguồn có các mức điện áp thấp và cố định 3.3V, 5V

và 12V để cung cấp cho các IC, vi điều khiển và các LED làm việc

Tác dụng của linh kiện trong mạch

• Header để nối với biến áp, biến áp có tác dụng hạ áp từ 220Vac xuống còn 12Vac

• D11 là cầu diode chỉnh lưu chuyển điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều

• Các tụ trong mạch có tác dụng lọc để giảm bớt độ gợn của tín hiệu một chiều

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	3,03 MB
File đính kèm	Source_code.rar (9 MB)