4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.5.3.Tủ TC200M(Liên Xô)
* Sơ đồ nguyên lý: nh− hình 2.31.
Trong đó: MBA là máy biến áp hạ áp; CC1, CC2 là cầu chì 1A; HE1, HE2 là dây đốt; KA là nút ấn; P1 là rơle một chiều 24V; P2 là rơle một chiều 110V; TK là nhiệt kế công tắc; L1, L2 là các đèn báo.
* Nguyên lý hoạt động của tủ: tủ này sử dụng nhiệt kế công tắc để điều khiển, tủ có thể làm việc ở hai mức công suất:
+ Tủ làm việc ở mắc công suất nhỏ (hai dây đốt đ−ợc mắc nối tiếp với nhau): ban đầu ta đặt nhiệt kế công tắc ở mức nhiệt độ yêu cầu, cấp nguồn xoay chiều 220V bằng cách bật công tắc nguồn CT, rơle P1 có điện hút ngay tiếp điểm P1(5-6) cấp dòng cho dây đốt theo chiều từ CC1-P1(5- 6)-P2(13-14)-HE2-P2(3-4)-HE1-CC2, tủ nóng dần, đèn báo L2 sáng, L1 tắt.
+ Tủ làm việc với chế độ công suất lớn (hai dây đốt làm việc song song): đặt nhiệt độ bằng nhiệt kế công tắc, đóng nguồn xoay chiều, ấn nút KA, KA1 tạm thời nhả ra, KA2 đóng, khi đó cuộn dây rơle P2 có điện hút tiếp điểm P2(9-10) tự duy trì và KA2 nhả ra, KA1 đóng lại, còn P2(13-14), P2(3-4) nhả ra; P2(7-8), P2(1-2), P2(5-6), P2(11-12) đóng lại. Khi đó HE1, HE2 làm việc song song với nhau, HE1 đ−ợc cấp dòng theo chiều từ CC2- P2(7-8)-HE1-P2(5-6)-CC1, còn HE2 đ−ợc cấp dòng theo chiều từ CC2- KA1-P2(11-12)-P2(1-2)-CC1 đồng thời cả hai đèn báo L1, L2 cùng sáng.
Trong cả hai tr−ờng hợp trên khi nhiệt độ trong tủ đạt đến nhiệt độ đặt thì thuỷ ngân trong nhiệt kế công tắc nối tiếp điểm TK lại, khi đó cực gốc của transistor (Q1) d−ơng lên đột ngột và d−ơng hơn cực phát làm cho Q1 khoá lại, cuộn dây rơle P1 mất điện cắt tiếp điểm P1(5-6), khi đó cuộn dây rơle P2 cũng mất điện, sau khoảng thời gian nhất định tiếp điểm TK lại mở ra dây đốt lại đ−ợc cấp dòng, quá trình trên cứ lặp đi lặp lại theo yêu cầu của ng−ời sử dụng.
2.6. Kết luận
Qua việc nghiên cứu ở ch−ơng 1 thì ở ch−ơng này đã nêu đ−ợc nguyên tắc cấu tạo, nguyên tắc làm việc chung của tủ nuôi cấy vi khuẩn. Đặc biệt là đã giới thiệu một cách tổng quát về quy trình tự động điều khiển nhiệt độ. Giới thiệu một số sơ đồ và nguyên lý hoạt động của một số loại tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đ−ợc sử dụng tại bệnh viện Bạch Mai Hà Nội.
Từ những kết quả đó tôi tiến hành thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn.
Thiết kế mạch tự động điều khiển Nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn 3.1. nhiệm vụ của thiết kế
Nhiệm vụ cần thực hiện là thiết kế một mạch điều khiển nhiệt độ có giải
nhiệt độ từ 00C đến 900C. Đặc biệt là trong đề tài này để thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn. Th−ờng ta phải khống chế nhiệt độ ở 370C. Vì vậy yêu cầu đặt ra ở đây là:
• Thiết kế bộ đo dùng cảm biến đo nhiệt độ.
• Thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang số và đ−a ra hiển thị.
• Thiết kế mạch tạo tín hiệu điện áp chuẩn. • Thiết kế mạch điều khiển kháng đốt trong tủ.
3.2. Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
Hình 3.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển nhiệt độ
Chức năng và nhiệm vụ của từng khối:
• Khối cảm biến: có nhiệm vụ đo l−ờng nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn. • Khối chuyển đổi: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu thích hợp.
• Khối A/D: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số. • Khối giải mã: có nhiệm vụ giải mã nhị phân sang mã thập phân. • Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu đo và tín hiệu chuẩn.
• Khối so sánh: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đo đ−ợc với tín hiệu chuẩn rồi đ−a ra tín hiệu điền khiển.
• Khối tín hiệu chuẩn: nhằm tạo ra tín hiệu chuẩn để so sánh với tín hiệu đo.
• Mạch điều khiển: tạo ra tín hiệu điều khiển t−ơng ứng để đ−a ra điều khiển kháng đốt.
• Kháng đốt có nhiệm vụ tạo ra nhiệt độ thích hợp cho tủ nuôi cấy vi khuẩn.
3.3. Tính toán thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối
3.3.1. Mạch điều khiển
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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