4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
3.3.1.1.Mạch động lực
Sơ đồ nguyên lý mạch lực của tủ nuôi cấy vi khuẩn nh− hình 3.2 sau:
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
Hoạt động của sơ đồ nh− sau: khi có xung điều khiển tác động vào cực bazơ của Tranzitor (Q1) (loại NPN), các xung này là các xung nhọn d−ơng.
Tranzitor này làm việc nh− một khóa điện tử, trạng thái làm việc phụ thuộc vào xung điều khiển. Mỗi khi có xung nhọn d−ơng tác động vào cực bazơ của Tranzitor, làm cho Q1 mở. Kết quả là trên cuộn sơ cấp của biến áp xung (BAX) có xung, cảm ứng sang cuộn thứ cấp của BAX tác động tới cực điều khiển của Triac (GT) làm cho Triac mở với những góc mở có giá trị khác nhau để cấp dòng điện xoay chiều cho điện trở dây đốt (Rt). Khi tín hiệu điều khiển Uđk tăng lên ( nhiệt độ trong tủ nuôi cấy thấp), mạch so sánh lật trạng thái sớm hơn vì vậy các xung nhọn đ−ợc phát sớm hơn, các xung này qua BAX đặt lên cực điều khiển của Triac làm cho nó mở sớm, dòng điện nguồn xoay chiều 220V/50Hz cung cấp cho điện trở dây đốt tăng lớn. Do đó nhiệt độ của tủ nuôi cấy nóng dần lên cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và Triac sẽ dẫn dòng trong một khoảng thời gian nhất định, vì Triac có thể mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp d−ơng đặt lên anốt và xung áp d−ơng đặt vào cực điều khiển, sau khi Triac đã mở thì xung điều khiển có tác động cũng không có tác dụng và đến lúc nào đó nhiệt độ trong tủ tăng cảm biến nhiệt độ sẽ tác động làm cho tín hiệu điều khiển giảm làm cho xung nhọn phát ra muộn hơn, góc kích của Triac lớn, dòng điện cấp cho điện trở dây đốt sẽ giảm khi đó nhiệt độ trong tủ giảm xuống cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và đ−ợc kéo dài trong một khoảng thời gian nào đó thì nhiệt độ trong tủ lại giảm nhỏ hơn nhiệt độ đặt thì quá trình lại ngựơc lại và quá trình này cứ lặp đi lặp lại. Nh− vậy, nhiệt độ trong trong tủ nuôi cấy vi khuẩn sẽ luôn luôn đ−ợc giữ ổn định ở giá trị nhiệt độ đặt.
BAX ở đây có tác dụng vừa làm chức năng cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, vừa làm chức năng tạo xung để mở Triac.
Diode (D1) đ−ợc mắc ở đây có chức năng triệt tiêu các xung âm sinh ra trong mạch sơ cấp của BAX và loại trừ hiện t−ợng quá điện áp trên các cực C, E của Tranzitor do suất điện động cảm ứng sinh ra trên cuộn sơ cấp của BAX. Tụ điện C1, R1 mắc song song với Triac có tác dụng tránh hiện t−ợng mở không mong muốn. Bởi vì khi xảy ra tr−ờng hợp điện áp đặt lên Triac tăng với
tốc độ lớn hơn điện áp giới hạn của Triac thì Triac cũng có thể chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở mặc dù dòng điều khiển bằng 0V.
Chọn R =251 Ω, C1=0, 47μF.
Điện trở RLP có tác dụng hạn chế dòng cho đèn báo LP.
Rt là điện trở dây đốt. Qua quá trình thực tập chúng tôi tìm hiểu và nghiên cứu thực tế trong các tủ nuôi cấy vi khuẩn trong bệnh viện Bạch Mai và một số nơi thấy thông th−ờng các tủ có công suất 1,2KW, điện áp định mức qua tủ là 220V. Trên cơ sở này tôi tiến hành tính toán chọn linh kiện cho mạch động lực.
Tính toán chọn linh kiện cho mạch động lực:
+ Chọn Triac loại BTA08 ( TO220AB) từ sách “Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn”. Tg: D−ơng Minh Trí , thông số kỹ thuật của Triac gồm có:
Uađm = 600V Iađm = 8A UGT = 1,5V IGT = 100mA A tG =20μ
+ Chọn BAX có hệ số biến áp là k = 1. Vì BAX làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực và tạo xung để điều khiển góc mở cho Triac.
Khi đó U1 = U2 = UGT = 1,5V và I1 = I 2= IGT = 100mA.
Trong đó I1, U1 là dòng điện và điện áp sơ cấp của BAX. Còn I2, U2 là dòng điện và điện áp thứ cấp của BAX.
+ Chọn điện áp cung cấp ECC = 9V. Từ sơ đồ mạch động lực thấy khi Q1 mở thì ECC = I1ìR2 + U1 + UCE => = Ω ì − − = − − = − 72 10 100 3 . 0 5 . 1 9 3 1 1 2 I U U E R CC CE Chọn R2=100Ω Vì I1 = IC = 100mA.
=> Chọn Tranzitor (Q1) 2SC1815 (loại NPN) với các thông số nh− sau: IC =150mA; β =130; PC = 400mW;T=1250C; Vậy dòng I IC mA B 0,77 130 100= = = β
+ Chọn Diode (D1): do hiệu ứng Lenxơ, nếu không có Diode D1 thì suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra quá điện áp trên các cực C, E của Tranzitor (Q1) có thể đánh thủng Tranzitor (Q1) này. Do đó chọn Diode loại 1N4001 có các thông số kỹ thuật nh− sau: Uđm = 50V; Iđm = 1A.
+ Chọn đèn báo (LP) là LED với dòng điện làm việc từ 5mA đến 20mA và điện áp làm việc là 2V. Do đó để hạn chế điện áp cho đèn thì phải dùng điện trở là: = = KΩ mA V RLED 22 10 220 3.3.1.2. Mạch so sánh
Trong mạch tự động điều khiển nhiệt độ, để nhiệt độ trong tủ có thể tự
động điều chỉnh đ−ợc về nhiệt độ chuẩn mà đã đ−ợc đặt tr−ớc thì phải sử dụng bộ so sánh để so sánh tín hiệu đo đ−ợc nhờ cảm biến với tín hiệu chuẩn đã đặt tr−ớc. Sai lệch ở đầu ra của bộ so sánh sẽ đ−ợc xử lý ở mạch hiệu chỉnh sai số.
Ngoài ra, để tạo ra đ−ợc tín hiệu xung điều khiển góc mở của Triac cấp nguồn cho bộ tạo nhiệt (ở đây là dây đốt) thì cũng cần phải có bộ so sánh để có thể so sánh tín hiệu điện áp điều khiển với tín hiệu điện áp của bộ tạo xung răng c−a đồng bộ. Để có thể so sánh những khối này có thể dùng mạch khuếch đại thuật toán hoặc tranzitor. Trong đề tài này em sử dụng mạch khuếch đại thuật toán TL082 với các thông số kỹ thuật của TL082 (hoặc TL084) nh− sau: Điện áp vào: UV = ± ữ ±3 18V.
Điện áp vào lớn nhất: UV = ±30. Công suất tiêu hao: P=680mW. Nguồn cung cấp: VCC = ±15. Dòng điện làm việc Ilv=1mA
Hệ số khuếch đại điện áp: k=106dB. Dòng điện dịch: 30pA.
Tốc độ ra tăng điện áp đầu ra 13 /V μs. Độ trôi điện áp thứ nguyên: ±13.
Sơ đồ mạch so sánh hai tín hiệu có dạng nh− hình 3.3 sau:
Hình 3.3. Sơ đồ mạch so sánh
Hoạt động của sơ đồ nh− sau: khi cho hai tín hiệu điện áp đặt Uđặt, và tín hiệu điện áp đo đ−ợc từ cảm biến Uđo vào mạch so sánh thì:
Nếu Uđặt > Uđo => tín hiệu Ura có giá trị âm. Khi đó nhiệt độ trong tủ thấp hơn nhiệt độ đăt, bộ so sánh sẽ đ−a đến bộ điều khiển tín hiệu đóng mở Triac để đ−a nhiệt độ trong tủ về giá trị nhiệt độ đặt.
Nếu Uđặt < Uđo thì tín hiệu Ura có giá trị d−ơng. Khi đó nhiệt độ trong tủ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ so sánh sẽ đ−a tín hiệu ra đến khối tạo tín hiệu điều khiển để khoá Triac cắt nguồn cấp cho bộ tạo nhiệt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3.1.3. Mạch tạo xung điều khiển góc mở
Hình 3.4. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển
Hoạt động của khối nh− sau: tín hiệu điều khiển Uđk là kết quả của sự sai lệch điện áp. ở đây nó t−ơng ứng với sự chênh lệch giữa nhiệt độ thực đo đ−ợc nhờ cảm biến và nhiệt độ đặt nhờ bộ tạo tín hiệu chuẩn. Tín hiệu xung răng c−a UX đ−ợc so sánh với tín hiệu điều khiển Uđk nhờ bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán TL082. Tín hiệu xung răng c−a đ−ợc đ−a vào đầu không đảo còn tín hiệu điều khiển đ−ợc đ−a vào đầu đảo. Bộ so sánh này đ−ợc mắc theo nguyên lý không có phản hồi nên tín hiệu ra của nó có thể là bão hòa d−ơng hoặc bão hòa âm phụ thuộc vào mối t−ơng quan giữa tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiệu xung răng c−a UX. Khi tín hiệu xung lớn hơn tín hiệu điều khiển thì tín hiệu ra của bộ so sánh có dạng xung vuông. Xung vuông này qua bộ vi phân R-C sẽ tạo ra các xung nhọn mỗi khi xung vuông lật trạng thái. Độ rộng của các xung này phụ thuộc vào dung l−ợng của tụ điện C2, các xung nhọn này khi qua bộ vi phân vẫn còn có xung âm. Sau khi đi qua Diode (D2) thì các xung âm bị chặn lại.
Nh− vậy, xung điều khiển góc mở là những xung nhọn d−ơng có thời điểm xuất hiện là lúc giao nhau giữa điện áp điều khiển với s−ờn sau của xung răng c−a.
Hình 3.5. Sơ đồ dạng xung
Bộ vi phân R-C có tác dụng sửa dạng xung đầu ra của bộ so sánh sao cho độ rộng và biên độ thích hợp với Triac cần điều khiển. Độ rộng xung đ−ợc quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt đến giá trị dòng điều khiển (Tra trong sách tra cứu ứng với loại Triac sử dụng).
Gọi tx là độ rộng xung: tx ≈2,2ìC2ìR4 ≈20μs Chọn C2 =0,47μF => = Ω ì = 19,4 47 , 0 2 , 2 20 4 F s R μ μ thực tế chỉ có điện trở có giá trị R4 =20Ω.
Nh− vậy, trong mạch vi phân R-C chọnR4 =20Ω,C2 =0,47μF. Tính chọn R3 với I = 0,77mA => − = Ω= ΚΩ ì − − = − − Δ − = − 100 9770.13 9.77013 10 77 . 0 3 . 0 5 . 1 9 9 3 2 ) 1 ( 2 3 R I U U R Q C BE D ChọnR3 =10ΚΩ
Chọn D2 (loại 1N4001) có các thông số kỹ thuật là: UD2 = 50V; ID2 =1A.
3.3.1.4. Mạch tạo xung răng c−a đồng bộ
Trong thực tế muốn điều chỉnh Triac đóng mở (với một góc mở α nào đó) tự động theo yêu cầu của bài toán thì chúng ta cần phải tạo ra đ−ợc tín hiệu điện áp đồng bộ với tín hiệu điện áp đặt lên anôt-catôt của Triac. Để làm đ−ợc việc này ng−ời ta th−ờng tạo ra xung răng c−a đồng bộ (hay còn gọi là điều khiển thẳng đứng tuyến tính) đây là ph−ơng pháp hay đ−ợc sử dụng nhất ngoài ra ng−ời ta cũng có thể điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS. Trong đề tài này tôi sử dụng ph−ơng pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Sơ đồ mạch tạo xung răng c−a đồng bộ nh− hình 3.6 sau:
Hình 3.6. Sơ đồ mạch tạo xung răng c−a đồng bộ
Hoạt động của mạch tạo xung răng c−a đồng bộ này nh− sau: nguyên lý
chung để tạo ra xung răng c−a là đầu tiên ta phải tạo ra đ−ợc xung vuông sau đó dùng mạch tích phân cho ra xung răng c−a. Trong đề tài này tôi thiết kế mạch tạo xung răng c−a có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán TL082, nó gồm có 2 OA (U1A và U1B) đóng trong một vỏ, U1A(TL082) đ−ợc dùng trong mạch tạo xung vuông, U1B(TL082) dùng cho mạch tích phân tạo xung răng c−a.
Mạch tạo xung vuông: mạch gồm máy biến áp giảm áp và một bộ so sánh tín hiệu vào với mát, bộ so sánh ở đây là U1A(TL082). Khi có tín hiệu điện áp ở nửa chu kỳ d−ơng của tín hiệu xoay chiều vào đầu không đảo của U1A(TL082) lúc đó đầu vào không đảo sẽ d−ơng hơn đầu vào đảo nên đầu ra
của U1A(TL082) sẽ có tín hiệu xung điện áp bão hoà +9V (với giả thiết bộ so sánh này là lý t−ởng) thì tín hiệu vào đầu không đảo giảm dần đến lúc nhỏ hơn đầu vào đảo và âm dần khi đó đầu ra của U1A(TL082) lật trạng thái đến chế độ bão hoà âm (-9V) trong khoảng thời gian nào đó thì tín hiệu đầu vào không đảo d−ơng hơn đầu đảo, đầu ra của tín hiệu sẽ lật trạng thái và có tín hiệu xung điện áp d−ơng, quá trình lại tiếp tục lặp đi lặp lại nh− vậy. Sơ đồ dạng xung của mạch này nh− hình 3.7 sau:
Hình 3.7. Sơ đồ dạng xung vuông
Mạch tạo xung răng c−a: mạch gồm có một khâu tích phân, Diode chỉ cho tín hiệu d−ơng đi qua và một Tranzitor (Q2) để đóng mở, hoạt động của mạch này là khi có xung d−ơng qua Diode vào đầu không đảo của TL082(U1B) d−ơng hơn đầu vào đảo nên cho tín hiệu qua U1B(TL082) đồng thời nạp cho tụ C3 tín hiệu ra lúc này tăng dần tuỳ thuộc vào dung l−ợng của tụ lớn hay nhỏ, còn khi tín hiệu vào là xung âm sẽ đi vào cực B của Q2 khi đó Q2 sẽ mở cho dòng chảy qua khi đó tín hiệu ở đầu vào không đảo nhỏ hơn tín hiệu đầu đảo do đó xung ra sẽ giảm dần nh−ng nhờ có tụ C3 nên xung ra chỉ giảm
đến 0V thì tụ lại phóng. Do đó ở đầu ra ta sẽ nhận đ−ợc một chuỗi xung răng c−a.
Sơ đồ dạng xung đầu ra có dạng nh− hình 3.8 sau:
Hình 3.8. Sơ đồ dạng xung răng c−a
Tính toán lựa chọn các linh kiện trong mạch này nh− sau:
Độ rộng xung ra của mạch tích phân R6 - C3 và khuếch đại thuật toán U1B(TL082) là tx2 =(2,2ữ3)ìR6ìC3=(2,2ữ3)τ . Với τ là hằng số thời gian:
3 6 C R ì = τ , chọn τ =0,0005s=R6ìC3. Chọn C3 =222pF=0.222μF => = = KΩ F s R 22.52 222 , 0 0005 , 0 6 μ . Nh− vậy, chọn Ω = K R6 22 .
Chọn Tranzitor (loại PNP) mã hiệu 2SA564 có các thông số kỹ thuật sau:
IC = 100mA, β =250, PC = 250mW, Tj = 1250C.
Vì khuếch đại thuật toán U1A(TL082) có dòng làm việc là 1mA, dòng cực bazơ của Tranzitor là I IC IC mA mA
B 0,4 250 100 250= = = = β , R7 có tác dụng hạn chế dòng cho Tranzitor. Do đó, = = KΩ mA V R 9 1 9
lớn nhất của U1A(TL082), trên cơ sở đó chọn R7 =10KΩ. R8 có tác dụng hạn dòng cho U1A(TL082) chọn R8=10KΩ, chọn R5 =10KΩ.
Diode D3 cho xung d−ơng qua, chọn Diode D3 (loại 1N4001) có UD3 = 50V và Iđm = 1A. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3.2. Bộ cảm biến
Để có thể đo nhiệt độ đ−ợc chính xác, tất nhiên rất cần có một đầu dò (hay còn gọi là đầu cảm nhận) thích hợp. Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ nó có nhiệm vụ là chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp hay dòng điện. có rất nhiều loại cảm biến nh− giới thiệu ở ch−ơng 2. Nh−ng qua việc nghiên cứu lý thuyết và thực tế cùng với việc tham khảo thị tr−ờng để ứng dụng vào mạch thực tế tôi đi đến chọn ph−ơng pháp đo dùng IC cảm biến nhiệt độ, các cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành rẻ. Một trong số đó là loại vi mạch LM335, nó là loại thông dụng trên thị tr−ờng hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính làm việc phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch.
Một số tính chất cơ bản của LM335:
- Cảm biến nhiệt độ LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là: 10mV/0C.
- Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ nhạy. ở nhiệt độ 250C nó có sai số không quá 1%. Khi đo trong khoảng nhiệt độ từ -40 ữ 1000C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
- Một số thông số kỹ thuật của LM335: tiêu tán công suất thấp, dòng điện làm việc từ 400μAữ5mA, dòng điện ng−ợc 15mA, dòng điện thuận 10mA. Độ chính xác khi làm việc ở nhiệt độ 250C với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94V ữ3, 04V .
- Theo thông số của nhà sản xuất thì quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra nh− sau: 0 10 out U = mV T Kì (mV) 0 0 0 0, 01 0, 01 (273 ) 2, 73 0, 01 out U = ìT K = ì +t C = + t C (V)
Nh− vậy, độ biến thiên điện áp t−ơng ứng với dải nhiệt độ từ 00C đến