Điện tử công nghiệp và cảm biến tập 1 nguyễn tấn phước

THU’ VIEN BAI HQC NHA TRANG NGUYEN TAN p jfjfö e THU VIEN DAI HOC NHA TRANG 1000017933 6T0.3 728-203/ĐKKH/Tré TRE-2007 NGUYỄN TẤN PHƯỚC KS Điện - Điện tử CH Diều khiển tự dộng ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP VÀ CẢM BIẾN - TẬP (TỦ SÁCH DẠY NGHỀ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ) NHÀ X UẤ T BẢN TRẺ LỜI NÓI ĐẨU Nhà xuất hàn Trẻ tác eiả Nguyễn Tấn Phước thực hai Ijuyén aiáo trình trong! Bộ aiáo trình Dạy nulle Diện - Diện tử "Điện - Điện tử bản" "Sửa chữa Thiết bị điện - điện tử aia dụna" Đây hai aiáo trình quan nhái thuộc lĩnh vực Diện - Diên lử Cìiáo trình thứ ba dươc aiơi thiêu với dóc ata aiáo trình "Diện tửcóna nghiệp Cam biên - Tập ", "Diện tử cône nahiệp" ngành kv thuật đa na phát trien rât nhanh ]ại cỏ rát aiáo trình tài liệu nói lĩnh vực nêu có nội dune rât lạc hậu đdn giản Dặc hiệt "Cảm biên" đề tài rât hâp dần ứna duna râl nhiều trơna moi lình vực từ diều khiển tự dộna công nahiêp đốn sinh hoạt dân dung, mà hầu hết học sinh, sinh viên cũna giáo viên trona ngành dều muốn tìm hiểu sâu đe có the ứna dụna thực tố Tác aiả cô aắna sưu lập từ nhiều tài liêu kỹ thuật đại thực tố đổ cung cấp cho độc aia nhữna kiên thức thát hữu ích Hy vọna aiáo trình đáp ứng dưực nhu cầu tìm hiểu hoe tập nhiều dối tượna độc aiả Giáo trình "Diện lử cóna nghiêp Cảm biên - Tập 2" xuât với nhiều nôi duna chuvên sâu nâna cao, đặc biệt aiới (hiệu loại cảm bien đanu đvrực đưa vào sử duna trơna lĩnh vực lựđộna hóa Rât mona nhận đóna aóp ý kiên bạn đọc dể siich dược hồn thiện lần tái sau HCM, nầy 22 thána 12 năm 2006 Nhà xuát Trẻ -5 GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP VA CẢM BIẾN - TẬP Mục lục Trang Lời nói đầu Mục lục Chương 1: Transistor đơn nốỉ UJT 1.1- Đại cương 1.2- Câu tạo UJT 1.3- Nguyên lý đặc lính UJT 1.4- Các thơng số kỹ thuật UJT 1.5- ứng dụng 1.6- Bài tập 1.7- Mạch dao động tích nạp nguồn ổn dịng 1.8- Mạch dao động tích tạo xung đồng Chương 2: Thyristor 2.1- Câu tạo 2.2- N2uyên lý vận chuyển SCR 2.3- Ký hiệu hình dáng - Các thông sô'kỹ thuật 2.5- ứng dụng SCR 30 - - Chương 3: Diac - Triac 3.1- Diac 3.2- Triac 3.3- ứng dụng Diac Triac Chương 4: Các loại rrt-lc thơi gian điện tử 4.1- Đại cương 4.2- Phân loại theo chức 4.3- Rơ-le thời gian dùng vi mạch định 4.4- Rơ-le thời gian On-dclay 4.3- Rơ-Ie thời eian OlT-dcIay 4.6- Rd-lc thời gian tạo xung chuẩn 4.7- Rơ-le thơi gian kiểu nhấp nháy 4.8- Một số ứng dụng rơ-le thơi gian Chương 5: Rơ-le bảo vệ dùng mạch điện tử 3.1- Đại cương 5.2- Rơ-le bảo vệ áp thấp áp 5.3- Rơ-le bảo vệ dòng 5.4- Rơ-lc bảo vệ nhiệt 5.5- Rơ-le bảo vệ chạm đất chống điện giật Chương 6: Khái niệm cảm biến 6.1- Đại cương 6.2- Phân loại linh kiện cảm biến 6.3- Các đặc trưng cảm biến Chương 7: cảm biến quang điện 7.1- Nguồn sáng 7.2- Mặt thị tinh thể lõng LCD 7.3- Quang trơ 7.4- Quang diod 7.5- Quang transìstor 7.6- Các ghép quang 7.7- Tc bào quang điện pin mặt trời Chương 8: cảm biến nhiệt điện 8.1- Đại cương 8.2- Nhiệt trở kim loại 8.3- Nhiệt trở bán dẫn 8.4- Varistor - Diod 8.5- Cặp nhiệt 8.6- Đo nhiệt độ diod transistor 8.7- Diod zener cảm biến nhiệt 8.8- IC cảm biến nhiệt Tài liệu tham khảo CHƯƠNG TRANSISTOR ĐƠN N ố i UJT §1.1- ĐẠI CƯƠNG T ransistor đơn nôi viết tắ t UJT (Uni-junction T ransistor) loại transistor có mối nơi cấu tạo UJT có câu tạo giơng FET (Field Effect Transistor) có đặc tính khác biệt với FET thường dùng mạch tạo xung hay định H ình 1.1: Câu tạo ký hiệu UJT §1.2- CẤU TẠO CỦA UJT T ransistor đơn nơi gồm bán dẫri loại N pha tỉ lệ Tất thấp Hai cực kim loại nối vào hai đầu th an h bán dẫn N gọi cực B) B2 Một dây nhôm nhỏ có đường kính nhỏ ,lm m khuếch tán vào th an h N tạo th n h vùng chất p có m ật độ rấ t cao hình th n h mối nối P-N dây nhôm th an h bán dẫn, dây nhôm nôi chân gọi cực phát E §1.3- NGUN LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA UJT Xét mạch th í nghiệm hình 1.2 Một transistor đơn nối vẽ mạch tương đương gồm hai điện trở Rbi R iv2 nối từ cực EỈ! đến cực B2 gọi Nguyền Tân Phước Điện tử công nghiệp cám biên chung điện trở liên R bb th a n h bán dẫn điểm B nôi từ cực E vào B> H ình 1.2 Ta có: R bb = R bi + R b2 Điểm B thường gần cực B B] nên R bi > R|ị2 ■ Mỗi U JT có tỉ sơ' điện trở khác gọi r| và: n_ (r) = 0,5^ ,8 ) — R bb Khi cực E có Ve = o v điện trở liên R bb có tr số từ vài kQ đến lOkQ Lúc dịng điện qua th an h bán dẫn là: IuB = v cc * R rb + Ri + R V ——— R bb (vì R,, R « R bb ) Dịng điện khoảng vài miliampe RBB lớn Qua cầu phân áp R bi - R B2 dòng I bb tạo diện áp điểm B là: Vh =V»- R HI R HU Lúc VjỊ lớn Ve nên diod EB bị phân cực ngược có dịng điện rỉ từ B E, dòng điện ri trị số rấ t nhỏ 10 Điện tử công nghiệp cảm hiến Nguyễn Tấn Phước Khi tăng điện áp Ve từ ov lên dịng điện rỉ giảm dần V e = VB dịng điện rỉ khơng (I|ì =0) Nếu tiếp tục tăng Ve lên mức điện áp ngưỡng diod EB để đạt điện áp đỉnh Vị> = ViỊ + Vy diod EB phân cực thuận nên dẫn điện dòng điện IB tăng cao Do vùng bán dẫn p diod EB có m ật độ cao, diod phân cực thuận lỗ trống từ p đỗ dồn sang bán dẫn N kéo điện tử từ cực âm nguồn Vcc vào cực Bi tái hợp với lỗ trống Lúc h t tải N tăng cao đột ngột làm cho điện trở Rjn giảm xuống kéo Ve giảm xuống lại làm cho dòng IK tăng cao Trong khoảng điện áp V e bị giảm dòng điện IE lại tăng lên nên người ta gọi vùng điện trở âm Khi R bi giảm điện trở liên RBB bị giảm dòng điện IBB tăng lên gần hai lần trị sơ' ban đầu điện trở liên chủ yếu RB2 dịng điện liên y(( nên có tri sơ gân là: HH = - Điện tử công nghiệp cảm biên Nguyễn Tấn Phước Loại nhiệt trở thường sử dụng mạch bảo vệ nhiệt Tất xác 4) N h iệt trở có đặc trưng kỹ thuật - Khoảng nhiệt độ sử dụng - Dòng điện đỉnh cực đại Ipmax - Dòng điện chịu đựng cực đại Imax - Điện áp đỉnh cực đại Vpmax - Khoảng trị số điện trở tương ứng với khoảng nhiệt độ sử dụng - Hệ số nhiệt trị số mức biến thiên điện trở tính theo phần trăm nhiệt độ môi trường tăng lên 1“C 5) ứ n g d ụ ng củ a n h iệt trở a) Ôn định nhiệt cho linh kiện điện tử: Trong mạch điện hình 8.6, transistor phân cực cầu phân áp với điện trở nhiệt có hệ sơ nhiệt âm Th\ Khi nhiệt độ mơi trường tăng hay transistor cơng suất bị nóng chạy bão hịa nhiệt trở có trị số giảm xuống làm giảm điện áp phân cực cho cực B, transistor bị giảm phân cực nên chạy yếu lại khơng bị nóng 117 Nguyễn Tấn Phước Điện tử công nghiệp cảm biến b) Bảo vệ nhiệt cho thiết bị điện: Trong m ạch điện hìn h 8.7 điện trở n h iệ t loại có hệ số n h iệ t dương dùng làm cảm biến để n h ậ n n h iệ t độ th iế t bị điện cần bảo vệ đổi th n h tín hiệu điện phân cực cho tra n sisto r T ] Hai tran sisto r Tl T2 mạch S chm itt - Trigger nên hoạt động hai trạ n g th i tuỳ thuộc diện áp phân cực cho T ! tức tùy thuộc vào n h iệ t độ th iế t bị Nếu th iế t bị nhiệt độ thấp n h iệ t trở có trị số nhỏ n ên VBi th ấ p làm Ti ngưng Ti dẫn bão hoà, rơ-le RY có điện đóng tiếp điểm cấp nguồn cho tải Khi n h iệ t độ th iế t bị tăn g mức cho phép làm n h iệ t trở tă n g trị số nên tăng phân cực cho Ti làm Ti dẫn bão hòa, lúc T2 m ất phân cực nên T2 ngưng dẫn, rơ-le m ất diện làm hở tiếp điểm để n g tả i khỏi nguồn §8.4- VARISTOR - DIOD (VD) 1) C ấu tạ o - P h â n lo i V aristor - diod từ ghép V ariable-R esistor Diod (diod có điện trở thay đổi được), điện trở thay đổi theo n h iệ t độ T h ật linh k iện b án dẫn bị ảnh hưởng n h iệ t độ VD ch ế tạo có độ nhạy theo n h iệ t dộ cao loại diod thường VD thường dùng th iế t bị điện tử dân dụng để ổn định n h iệ t cho tra n sisto r công suất hay dùng hệ thông điện tử công nghiệp để giới h ạn n h iệt độ, bảo vệ nhiệt 2) Đ ặc trư n g k ỹ th u ậ t c ủ a VD - K hoảng n h iệt độ sử dụng - Dòng điện th u ận cực đại Ipm ax - Hệ số nhiệt VD mức điện áp phân cực thuận anod catod bị giảm xuống nhiệt độ tăn g lên l°c 118 Điện tử công nghiệp cám biến Nguyễn Tấn Phước Bảng tra thông số kỹ thuật hai loại VD sử dụng mạch ổn định nhiệt Cột cuối hệ số nhiệt VD có nghĩa nhiệt độ tăng l°c điện áp phân cực thuận bị giảm xuống 2,26mV Thí dụ: HV15 có thơng sơ' - N hiệt độ sử dụng: -20°c đến +60°c - Dòng thuận Ipmax = 20mA - Dòng đỉnh Ipmax = lOmA - Điều kiện lúc đo: Vp= 145mV, Ip= l,5mA - Hệ số nhiệt: -2,26m/°c Hình R.R: Mạch khuếch đại công suất bổ phụ Mạch điện hình 8.8 trích sơ đồ khối khuếch đại cơng suất ampli kiểu OTL T, - T2 119 Nguyễn Tấn Phước Điện tử công nghiệp cám biến hai tra n sisto r công suất ráp kiểu bổ phụ, T:ị tra n sisto r thúc Trong mạch này, diod VD cảm biến n h iệ t có tác dụng ổn định nh iệt cho hai tra n sisto r công suất T] -T2 Khi hai tran sisto r cơng suất bị nóng làm tăng n h iệ t độ VD nóng theo, lúc đó, diod VD bị giảm điện áp phân cực làm cho điện áp hai chân Ti T2 n ên hai tra n sisto r chạy yếu lại không bị cháy, n h iệ t độ h tra n sisto r cơng su ất ổn định §8.5- CẶP N H IỆT (T h erm ocou p le) Cặp n h iệ t chế tạo dựạ hiệu ứng n h iệt điện Khi hai dây dẫn có chất hố học khác h àn dính xuất sức điện động hai đầu thay đồi theo n h iệ t độ mối hàn Theo nguyên tắc, sức điện động n h iệ t cặp n h iệ t sinh m ột đầu cặp n h iệt (đầu môi hàn) đặt vào điểm cần đo n h iệ t độ đầu đặt vào nơi có n h iệ t độ 0°c m ột n h iệ t độ chuẩn để so sánh (hình 8.9) H ình 8.9: Nguyên tắc đo cặp n h iệ t Điều gây phức tạp cho việc đo n h iệ t độ cặp nhiệt Trong thực tế, n h iệt độ 02 n h iệ t độ môi trường điều gây sai số Để bù trừ cho sai sô', người ta dùng dây dẫn có vật liệu cặp n h iệ t điện hay v ật liệu khác có tín h chất n h iệt tương tự, dây gọi dây th ay th ế hay dây bù N hư vậy, điểm nối với cặp n h iệt điện khơng có sức điện động n h iệ t (hình 8.10) 120 Điện tử công nghiệp cảm biến _ Nguyền Tấn Phước H ình8.10: Nguyên tắc đo cặp nhiệt có dây bù Hiện có loại cặp nhiệt thông dụng là: 1) Cặp n h iệ t đồng+Constantan (gọi Type T T h erm ocouple) N hiệt độ sử dụng từ -310"F đến +750°F Dưới bảng tra đổi từ nhiệt độ mối nối Thermo-Couple điện áp vài trị số N hiệt độ (F°) -300 -250 Điện áp (mV) -5,284 -4,747 +50 -0,670 0,389 N hiệt độ (F°) +100 + 150 +350 +400 +500 Điện áp (mV) 1,517 2,711 8,064 9,525 12,57 2) Cặp n h iệt sắt+C onstantan (gọi Type J T h erm ocouple) N hiệt độ sử dụng từ -200°c đến +870°c N hiệt độ (°C) -200 -50 +50 • +200 Điện áp (mV) -7,89 -2,43 0,00 2,58 10,78 N hiệt độ (°C) +250 +400 +450 +500 +650 Điện áp (mV) 13,56 21,85 24,61 27,39 36,05 Cặp n h iệ t Chromel+Alumel: (gọi Type K T herm o C ouple) 121 Nguyễn Tân Phước Điện tử công nghiệp cảm biến N h iệt dộ sử dụng từ 0°c đến + 1350°c N hiệt độ (°C) 50 100 250 400 Điện áp (mV) 0,00 2,02 4,10 10,16 1,40 N hiệt độ (°C) 500 650 700 750 900 Đ iện áp (mV) 20,65 27,03 29,14 31,23 37,36 C ặp n h iệ t P la tin u m + P la tin u m R hod ium : (g ọ i T ype R T h erm o co u p le) N h iệt độ sử dụng từ °c đến 1700°c có 13% N h iệt dộ (°C) 50 100 250 450 Điện áp mV) 0,298 0,645 1,92 3,92 N h iệt dộ (°C) 550 700 900 950 1000 5,0 6,72 9,175 9,82 10,5 Đ iện áp (mV) Các loại cặp n h iệt trê n gọi lă cặp n h iệ t dạng dây có hình dạng h ìn h 8.10, dạng th a n h h ìn h 8.11 H ình 8.10: Dang dây H ình 8.11: D ạng th a n h Cặp n h iệt d ạn g th an h (cây) d ù n g ch ất P latin u m Loại cặp n h iệ t dạng th a n h cảm biến n h iệ t có điện trở th a y đổi theo n h iệ t độ mối nối, đ iện trở 122 Điện tử công nghiệp câm biến Nguyễn Tân Phước cặp nhiệt tăng lên nhiệt độ tăng (đặc tính Therm istor có hệ số'nhiệt dương) Thí du: Cặp nhiệt dạng PT 100 nhiệt độ 0°c điện trở cặp nhiệt 100Q Các loại cặp nhiệt có hệ số' nhiệt mV/°C khơng tuyến tín h sử dụng khoảng nhiệt độ khơng rộng có th ể coi tuyến tính Do hệ số nhiệt mV/°C nhỏ thường khoảng vài chục Ị.iV/°C nên điện áp Thermocouple cho phải qua mạch khuếch đại DC trước đưa vào mạch điều khiển, thị hay bảo vệ ứ n g d ụ ng Therm ocouple Mạch điện hình 8.12 dùng cặp nhiệt làm cảm biến nhiệt cho tín hiệu điện để điều khiển OP-AMP transistor đóng ngắt điện cẩp cho rơ-le RY Trong mạch OP-AMP mạch khuếch đại so sánh có tác dụng so điện áp cặp nhiệt cho với điện áp chuẩn chỉnh định biến trở R2 Khi nhiệt độ tăng lên trị số giới hạn điện áp ngõ Vf lớn điện áp ngõ Vi+ , lúc OP-AMP có v = ov tạo dòng qua cầu phân áp R5 - Rô để phân cực cho transistor Khi transistor dẫn cấp điện cho rơ-le làm đóng hay ngắt tiếp điểm mạch công suất 123 Nguyền Tấn Phước Điện tử cộng nghiệp cám biến §8.6- ĐO N H IỆT ĐỘ BANG DIOD v TRANSISTOR Linh kiện bán dẫn nhạy cảm với n h iệ t độ có th ể sử dụng m ột sơ' lin h kiện diod hay tra n sisto r nôi theo kiểu diod (mối nơi BC) phân cực thuận có dịng điện khơng đổi để làm cảm biến nhiệt Khi đó, điện áp hai cực hàm n h iệ t độ Độ nhạy theo n h iệ t diod hay tra n sisto r mắc theo kiểu diod dược xác định theo biểu thức: s =~d v =-2,5mvrc dt° Để tăng độ tuyến tín h khả nàng thay th ế , ta dùng cặp transistor mắc đối với dịng L I2 khơng đổi chạy qua đo điện áp B-E Bằng cách ta loại trừ' dòng điện ngược độ nhạy nhiệt tính theo cơng thức: F _ d { V \ - V 2) dt° H ình 8.13: Đo n h iệ t độ diod tra n sisto r 124 Điện tử công nghiệp cảm biến Nguyễn Tấn Phước Độ nhạy nhiệt độ linh kiện bán dẫn lớn nhiều so với cạp nhiệt nhỏ so với nhiệt điện trở Trường hợp không cần nhiệt độ chuẩn dái nhiệt độ bị giới hạn khoảng T= -50"c đến 15Ơ’C Trong khoang nhiệt độ cảm biến có độ ổn định cao §8.7- DIOD ZENER CẢM BIÊN NHIỆT 1- Cấu tạo - N guyên lý Đây loại cảm biến bán dẫn khác dựa vào đặc tính diod Zener phân cực ngược dịng điện ngược phụ thuộc vào nhiệt độ Điện áp V() chân thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ khoảng IQmV Ị°c Ở 0°c, Vo = ov Các cảm biến bán dẫn dùng đến nhiệt độ tơi đa khống 150°c đến 200°c Đặc điểm cảm biến điện áp tăng tuyến tính theo nhiệt độ (do có khơng chế tốt q trìn h tạo chất bán dẫn kết hợp khả bù tuyến cần thiết) + AD J LM335Z I.M335M H ình 8.14: Cách chân Zener cảm biến nhiệt 2) P hân cực - ứ n g dụng Cách phân cực ứng dụng đơn giản Zener cảm biến nhiệt hình 8.15 Hình 8.15a cho diện áp tính theo độ Kelvin, hình 8.15b cho điện áp theo độ Celcius diều chỉnh VR cho Vo = 2,982V 25°c Nguyễn Tân Phước Điện tử công nghiệp cảm biến LM335 H ình 8.15a H ình 8.15b Trong thực tế để có độ xác cao người ta dùng m ạch đo n h iệ t độ theo m ạch điện h ìn h 8.16 Giả sử n h iệ t độ phòng Ta = 25°c, chỉnh VR, để điện áp VA = ov C hỉnh VR2 cho: v z = V o = 2.73V + (10mV/°C).25° = 2,98V C hỉnh lại VRi cho điện áp điểm A là: V a = V qffset = - 2,78V Điện áp là: v 0.= V z + V qffset = 2,98V - 2.78V = 0,2V Sau điều chỉnh xong, điện áp th ay đổi 10mV/°C chung quanh 0,2V VR cảm biến LM335 126 Điện tử cồng nghiệp cảm biến Nguyền Tấn Phước 3) M ạch k h u ếch đại đo n h iệt độ V«, lOOmV/’C H ình 8.17: Mạch khuếch đại đo nhiệt độ Độ khuếch đại điện áp mạch là: Av Vo V, ẼL -10 R , Định chuẩn cách chỉnh VR cho Voi-y.sKT = ov Đo Vq Vz nhiệt độ phịng Ta Sau đó, chỉnh VR cho Vo = o v nhiệt độ phòng Diod Zener làm cảm biến nhiệt cho điện áp thay đổi 100mV/°C mạch khuếch đại lên 10 lần nhờ Op-amp §8.8- IC CẨM B IEN n h i ệ t Hiện người ta chế tạo IC bán dẫn để đo hiệu chỉnh nhiệt độ tiện lợi IC cảm biến nhiệt chế tạo trê n sở nguyên lý diod zener LM335 1) IC LM35 IC LM35 có điện áp tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang Celcius Như thế, mạch điện bù trừ điểm thang Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) khơng cịn cần thiêt IC cảm biến nhiệt trước Điện áp ngõ 127 Điện tử công nghiệp vả cảm biến Nguyễn Tấn Phước 10mV/JC sai sô' khơng tuyến tín h +/-l,8m V cho tồn th an g đo IC LM35 chế tạo th an g đo n h iệ t độ là: -50°c -* +150°c (LM35 / LM35A) -40°c -» + 110 °c (LM35C / LM35CA) o'-’c -» +100°c (LM35D) Để có th ê đo n h iệt độ âm, cần có điện trở từ ngõ nối xuống nguồn âm Điện trở phải tín h cho có dịng qua lớn 50pA Nguồn âm phải có giá trị th ấ p điện áp đo n h iệt độ cực tiểu Thí dụ: -50°c cho Vo = -50l’C.10mV/°C = -0,5V 2) ứ n g d ụ n g IC LM35 J-V- v - 30V LM35 J-V- A \r - ^ov V() — lO m vrc V(,= 10mV/“C LMÌ