nghiên cứu chế tạo máy dò dây điện trong tường

Cũng chính vì lý do này mà hệ thống các thiết bị đóng cắt bảo vệ an toàn cho con người cũng như phát hiện dòng rò đóng một vai trò rất quan trọng, nó đảm bảo cho sự an toàn của con người

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN

GVHD : Thầy Phạm Mạnh Hùng

Sinh viên : Giang Văn Hiến

Mssv : 20111561

Hà nội 12 /2015

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY DÒ DÂY ĐIỆN TRONG TƯỜNG 4

I Đặt vấn đề 4

II Hiện tượng cảm ứng điện từ 4

III Nguyên lý dò tìm dây điện trong tường 5

IV Mạch dò tìm dây điện trong tường đơn giản 5

1 Sơ đồ khối 5

2 Sơ đồ nguyên lý 5

3 Nguyên lý hoạt động 6

4 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 7

5 Sơ đồ mạch in 7

V Tính toán các thông số trong mạch 8

1 Lựa chọn thông số của linh kiện 8

2 Tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho led 8

3 Tính giá trị I u 9

VI Kết luận 11

PHỤ LỤC I: CÁC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO 12

PHỤ LỤC II: TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

LỜI MỞ ĐẦU

Trong đời sống hiện nay, điện năng đóng vai trò rất quan trọng,có mặt hầu như

ở khắp mọi nơi, trong tất cả mọi lĩnh vực, ứng dụng rộng rãi nhất là dùng điện để thắp sáng Điện cò sử dụng để sản xuất hàng hóa trong các ngành công nghiệp (dệt may, in ấn ), nông nghiệp (sản xuất thức ăn chăn nuôi, làm lạnh ) và dịch vụ (viễn thông, truyền thông ) Điện còn áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất hóa học

Tuy nhiên, song song với những lợi ích thiết thực cho cuộc sống hàng ngày đó

là những nguy hiểm tiềm tàng từ việc sử dụng điện cho sản xuất và sinh hoạt Các trường hợp chấn thương trong sản suất nói chung thì chấn thương nặng hoặc chết người phần lớn là do điện giật Cũng chính vì lý do này mà hệ thống các thiết bị đóng cắt bảo vệ an toàn cho con người cũng như phát hiện dòng rò đóng một vai trò rất quan trọng, nó đảm bảo cho sự an toàn của con người khi có dòng điện rò rỉ ra ngoài cũng như là bảo vệ các thiết bị điện trong gia đình và toàn bộ hệ thống điện làm việc an toàn

và tin cậy

Trong bài tiểu luận này em sẽ tập trung vào vấn đề tìm hiểu ứng dụng mạch điện

tử “Nghiên cứu, chế tạo máy dò dây điện trong tường” chỉ gồm các linh kiện điện tử

đơn giản như điện trở, cuộn cảm, tranzito Em mong rằng đề tài của mình có thể góp phần vào việc tăng cường an toàn khi sử dụng điện trong gia đình, cũng như ở một số nơi khác

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Phạm Mạnh Hùng đã tận

tình hướng dẫn, xin được cảm ơn các bạn đã chia sẻ kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành bài tiểu luận này Dù đã cố gắng hoàn thành bài tiểu luân một cách tốt nhất tuy nhiên do thời gian và kiến thức có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót Em hi vọng sẽ nhận được sự góp ý của thầy và các bạn để có thể hoàn thiện hơn

Hà Nội 12/2015

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY DÒ DÂY ĐIỆN TRONG TƯỜNG

I Đặt vấn đề

Thông thường, để kiểm tra xem dây dẫn có điện hay không, ta chỉ cần sử dụng một bút thử điện loại thường: đặt đầu bút thử điện tiếp xúc trực tiếp với nguồn điện cần kiểm tra Nếu đèn sáng (có dòng điện chạy qua đèn) thì tức là có điện, ngược lại nếu đèn không sáng thì nghĩa là dây không có điện

Trong một số trường hợp, ta không thể đặt bút thử điện tiếp xúc với nguồn điện cần kiểm tra Ví dụ: khi đang cần dò tìm dây điện trong tường  thứ nhất: ta không biết chính xác vị trí đặt dây, thứ hai: dây đặt ở trong tường nên không thể cho đầu bút thử điện tiếp xúc với dây

Để giải quyết vấn đề trên, ta sẽ sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ Và dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, chúng ta sẽ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một máy dò tìm dây điện đơn giản mà dây điện được chôn ở trong tường

II Hiện tượng cảm ứng điện từ

Như đã nói ở trên chúng ta thiết kế máy dò tìm dây điện đơn giản dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Sau đây là một vài kiến thức cơ bản về hiện tượng cảm ứng điện từ:

Hình 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ

 Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng khi

từ thông gửi qua một mạch kín biến thiên

 Suất điện động cảm ứng là sđđ xuất hiện trong hiện tượng cảm ứng Kí hiệu εu

TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN SVTH: GIANG VĂN HIẾN

 Dòng điện cảm ứng: Dòng điện cảm ứng là dòng điện xuất hiện trong hiện tượng cảm ứng Kí hiệu Iu.

III Nguyên lý dò tìm dây điện trong tường

 Khi cho dòng điện biến thiên ( 220V AC, 50 Hz) chạy qua một dây dẫn thì xung quang dây dẫn đó sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên Nếu đặt một một cuộn dây trong từ trường biến thiên đó thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng  hiện tượng này gọi là cảm ứng điện từ

 Sau đó, dòng điện cảm ứng (sau khi được xử lý) có thể làm sáng đèn, nhấp nháy hoặc làm cho loa kêu để báo hiệu cho người sử dụng biết

IV Mạch dò tìm dây điện trong tường đơn giản

1 Sơ đồ khối

Mạch dò tìm đây điện trong tường đơn giản có các khối cơ bản sau:

Hình 2: Sơ đồ khối của thiết bị

2 Sơ đồ nguyên lý

Thu tín hiệu Xử lý và

khuếch đại

Hiển thị và báo hiệu

Nguồn

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý

Các linh kiện trong mạch:

 Cuộn dây L dùng dây 0.5 mm, trên lõi 1.5 mm, số vòng khoảng từ 1500 – 2500 vòng Hoặc sử dụng cuộn dây 6V – 10A thông dụng

 Các transistor Q1, Q2, Q3 có tác dụng khuếch đại dòng điện cảm ứng trong cuộn dây trước khi đưa ra LED

 Led dùng để hiển thị kết quả

 Nguồn là một quả pin cung cấp toàn bộ điện cho mạch hoạt động được

3 Nguyên lý hoạt động

 Bình thường, nếu không đặt gần dây dẫn điện, xung quanh anten và cuộn dây chỉ có từ trường của môi trường và từ trường trái đất Các từ trường này có cường độ rất nhỏ  dòng điện cảm ứng sinh ra trong cuộn dây rất nhỏ  không

đủ để làm mở transistor Q3  các transistor Q1 và Q2 tiếp tục đóng  điện áp đặt vào 2 đầu LED không đủ để làm LED nhấp nháy

 Nếu đặt anten gần dây dẫn có dòng điện chạy qua, từ trường biến thiên do dòng điện trong dây dẫn sinh ra sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng này có cường độ đủ lớn ( lớn hơn nhiều so với dòng điện cảm ứng do từ trường trái đất và từ trường của các vật xung quanh gây ra )

TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN SVTH: GIANG VĂN HIẾN

để làm mở transistor Q3 Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây có cường

độ rất nhỏ Do đó, trước khi có thể sử dụng nó để làm sáng đèn hay làm cho loa kêu thì nó cần phải được khuếch đại

4 Kết quả thực nghiệm và nhận xét

 Sau khi lắp mạch hoàn chỉnh chúng ta thực hiện quá trình chạy thử mạch trên

và thu được một số kết quả như sau:

- Đèn sáng ngay khi cấp nguồn cho mạch

- Khi đưa anten lại gần dây dẫn điện, đèn sáng và nhấp nháy liên tục Đưa anten ra xa dây dẫn điện, đèn lại sáng yếu hơn và không còn hiện tượng nhấp nháy nữa

 Nhận xét

- Đèn sáng ngay khi cấp nguồn cho mạch, nhưng không đủ làm cho đèn nhấp nháy là do nhiễu của môi trường như nhiễu do các nguồn bức xạ điện từ sóng AM, FM, … chưa đủ lớn để làm cho đèn nhấp nháy

- Khi đưa anten lại gần dây dẫn điện, ta thấy đèn nhấp nháy liên tục Khi đưa ra xa dây dẫn điện, ta thấy đèn không nhấp nháy nữa Đó là

do, khi đưa lại gần dây dẫn điện, cường độ từ trường mà anten thu được mạnh hơn dẫn đến dòng điện cảm ứng thu được trong cuộn dây

có cường độ mạnh hơn làm cho đèn nhấp nháy liên tục

5 Sơ đồ mạch in

Sau khi đã tìm hiều rõ nguyên lý làm việc cũng như sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và các linh kiện cần thiết trong mạch Cũng như qua quá trình chạy thử thì nhóm đã thực hiện dùng các công cụ mô phỏng như Ocard 9.2 hay Altium Designer để vẽ mạch mô phỏng cũng như mạch in

Dưới đây là sơ đồ mạch in mà nhóm đã dùng phần mềm vẽ ra được:

Hình 4: Mạch in

V Tính toán các thông số trong mạch

1 Lựa chọn thông số của linh kiện

Dựa vào Datasheet của nhà sản xuất chúng ta xác định được các thông số của linh kiện dùng trong mạch như sau:

 Chọn cuộn dây có số vòng là: N=2000 vòng, dây đồng có đường kính: r=0.5mm, đường kính lõi cuốn dây là R= 1cm

 Led: chọn led xanh có điện áp trong khoảng (3 3.4 v), dòng định mức 20mA

 Transistor: A1015,C1815: có =70 hoặc =25, dòng I cmax=150mA, dòng

B

I max = 50mA

2 Tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho led

Khi chưa có dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch thì mạch được nuôi bằng nguồn pin 9v lúc này các transistor Q2, Q3 đóng toàn bộ điện áp sẽ được đưa qua cực

E của Q1 và chạy thẳng sang cực C do Q2 đóng thì coi như Q2 có một điện trở vô cùng lớn làm điên áp sụt trên cực B của Q1 là không đáng kể Q1 thông bão hoà toàn bộ điện áp sẽ chạy thẳng từ cực E sang cực C rồi đi xuống Led

Do điện áp của Led chỉ là từ( 3 3.4 v) nên nếu không có trở hạn dòng thì sẽ gây

cháy Led như vậy ta cần xác định một điện trở cẩn thiết để làm giảm điện áp qua Led

để Led có thể hoạt động bình thường:

max_

max_

9 3.4

280 20

handong

Led

R

TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN SVTH: GIANG VĂN HIẾN

 Ta sẽ chọn Rhandong  330 , vì dễ kiếm trên thị trường

3 Tính giá trị I u

Để có thể tính toán được giá trị I u của cuộn dây trước hết ta phải xác định được các tham số sau:

 Điện trở của của cuộn dây

 Cảm ứng từ sinh ra mạch thu được tại một điểm cách dây dẫn một khoảng D

 Suất điện động cảm ứng

a) Điện trở của của cuộn dây

Như ta đã biết điện trở của cuộn dây được tính bằng công thưc:

(1)

R

S





Trong đó: là điện trở suất của dây đồng: 8

1, 7.10 ( )m

là chiều dài cuộn dây: N C N.2 'R N .R

S là tiết diện của cuộn dây:

2 ' 2

.( )

4

r

S r 

Từ (1) suy ra ta có: .2 4 .2

4

N R N R R

r





Thay số ta được: 8

3 2

4.2000.0, 01

(0,5.10 )

 Vậy ta đã tính được điện trở của cuộn dây là 5.44( )

b) Cảm ứng từ sinh ra mà mạch thu được tại một điểm cách dây dẫn một khoảng D

Ta sẽ coi dây điện là một dây dẫn thẳng dài vô hạn và có dòng điện chạy qua do

đó ta có công thức tính độ lớn cảm ứng từ B tại một điểm cách dây dẫn điện một khoảng là D:

( )

2 .

o

I t B

D

 



Với I t( ) có giá trị biến thiên theo quy luật hình sin: I t( )I Sin o (t A)( ), với f 50Hz là độ từ thẩm của môi trường: =1 trong không khí

olà hằng số từ: 7

o

H m

   

c) Suất điện động cảm ứng

Suất điện động cảm ứng sinh ra do sự biến thiên của cảm ứng từ B được xác định bằng công thức:

u

d e

dt



 

Với  là từ thông gửi qua cuộn dây được tính bằng công thức: N B S Cos (t)



  eu N B S  Sin (  t )(3)

Vậy từ (1), (2) và (3) ta có công thức tính I u như sau:

( ) ( ) ( )

.2

u

e N B S Sin t I t Sin t N S I



 Nhận xét: Từ biểu thức thứ (3) ta rút ra nhận xét rằng dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

- Cường độ dòng điện của dây dẫn

- Khoảng cách từ điểm ta xét tới dây dẫn

Với dòng định mức của Led là I dm Led_  20mA thì ta phải có dòng tối đa của transistor Q1 phải là I c1 I dm Led_  20mA

Gọi các transistor Q1, Q2 và Q3 có độ khuếch đại lần lượt là: 1, 2, 3 Với các dòng lần lượt là: I B1, I B2, I B3, I C1, I C2, I C3,I E1, I E2, I E3

 Theo sơ đồ mạch ta có:

_ 1

dm Led C

I I

2 2 1

dm Led C

B E

I I

I I

Do I E3 I B3 nên 3 3 3 _

3 3 3 2 1

dm Led

C E B

I

I

  

 Mặt khác I u= I B3nên _

3 2 1

dm Led u

I I

  

Từ (4) và (5) ta suy ra được:

_

3 2 1

( ) ( )

dm Led o

I I t Sin t N S



_

( ) ( )

.2

o

dm Led

I t Sin t N S

D



TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN SVTH: GIANG VĂN HIẾN

 Nhận xét: Với các giá trị cho trước như:N, f , 1, 2, 3, I dm Led_ ,… Và tại một thời điểm t bất kỳ thì ta sẽ xác định được khoảng cách lớn nhất vẫn còn có thể nhận biết ở đó có dây điện đi qua hay là không

VI Kết luận

Với đề tài “Nghiên cứu, chế tạo máy dò dây điện trong tường” em đã thiết kế và chế tạo được một máy có khả năng dò tìm được dây điện đi trong tường, xác định được khoảng cách lớn nhất có thể vẫn còn nhân biết được sự có mặt của dây điện khi có dòng điện chạy qua nó Khuôn khổ của đề tài chỉ là nghiên cứu nhưng đã cho kết quả

có thể nói là chấp nhận được Em hi vọng sau đề tài này sẽ có những cải tiến thiết thực hơn nữa để có thể nâng cao việc bảo vệ an toàn điện nhằm giảm thiểu tai nạn do điện năng gây ra

Theo em nghĩ, ta có thể cải tiến thêm bằng cách sử dụng vi điều khiển vào làm mạch khi đó chất lượng của mạch sẽ tốt hơn Nhưng trong thời gian nhất định, em mới thiết kế và chế tạo máy chỉ với các linh kiện điện tử đơn giản Việc ứng dụng vi điều khiển vào thiết kế mạch thì em dự kiến sẽ làm ở nhưng dự án tiếp theo

PHỤ LỤC I: CÁC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO

Hình 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ 4

Hình 2: Sơ đồ khối của thiết bị 5

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý 6

Hình 4: Mạch in 8

PHỤ LỤC II: TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://www.dientuvietnam.net/

[2] http://www.alldatasheet.com/