Các linh kiện trong khối nguồn gồm có : - Diode cầu 5A.
- Diode bán dẫn 1A. - LM 7805. - Tụ hóa (1000µF/25V , 470µF/25V). - Điện trở 1k. - Led. 3.1.3.1 LM7805
7805 là IC thuộc họ 78xx. Đây là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương. Và là IC ổn áp 5V và điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V.
7805 gồm có 3 chân:
1: Vin – Chân nguồn đầu vào. 2: GND – Chân nối đất. 3: Vo - Chân nguồn đầu ra.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 44 7805 có dòng cho điện áp ra tương ứng với dòng là 1A.
Hình 3.3: IC LM7805
Dòng cực đại có thể duy trì 1A. Dòng cực đại có thể sử dụng là 2.2A
Dòng công suất tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt là 2W. Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn là 15W.
Nếu vượt quá ngưỡng cho phép thì 7805 sẽ bị cháy. Trên thực tế chúng ta chỉ dùng công suất tiêu tán chỉ bằng ½ giá trị trên. Các giá trị cũng không nên dùng gần giá trị max của các thông số trên. Tốt nhất nên dùng nhỏ hơn hoặc bằng 2/3 max. Hơn nữa các thông số trên áp dụng cho điều kiện chuẩn nhiệt độ 25o
C. Giá trị đầu ra của 7805 trong khoảng 4.8 5.2V.
Độ trôi nhiệt của 7805 xấp xỉ là 1mv/1oC. Nó có hệ số trôi nhiệt âm, nên nhiệt độ tăng, điện áp ra sẽ giảm. Ví dụ nếu ở 25oC với điện áp lối ra là 4.98V thì rất có thể tại 65o
C ta đo được 4.94V.
3.1.3.2 Diode bán dẫn 1A
Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 45
Hình 3.4: Diode bán dẫn
Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P - N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống tạo thành một lớp ion trung hoà về điện và lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.
3.1.3.3 Tụ điện
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động …
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như tụ giấy, tụ gốm, tụ hoá.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 46 Điện dung, đơn vị và kí hiệu của tụ điện:
o Điện dung:
Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào giá trị diện tích bản cực và vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức.
C = ξ . S / d
Trong đó
C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d : là chiều dày của lớp cách điện.
S : là diện tích bản cực của tụ điện. - Đơn vị điện dung của tụ:
Đơn vị là Fara (F), 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF), NanoFara (nF), PicoFara (pF).
1Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F =1.000.000.000.000 p F 1µ Fara = 1.000 n Fara
1n Fara = 1.000 p Fara
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 47 3.1.4 Sơ đồ mạch in
Hình 3.6: Sơ đồ mạch in của mạch nguồn
3.2 Mạch xác định điểm 0
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch xác định điểm 0
3.2.2 Nguyên tắc hoạt động
Trong mạch này, có một mạch gọi là mạch xác định điểm 0v. Ở mạch này, điện áp xoay chiều sẽ đi qua diode cầu. Dòng điện sẽ qua diode zener 5v sẽ có dòng đi qua Opto. Khi không có dòng đi qua Opto thì INT0 có mức điện áp là 5v ứng với mức 1.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 48 Ngược lại khi có dòng đi qua thì INT0 có mức điện áp 0v ứng với mức 0. Dạng xung vào/ra của mạch bắt 0v cụ thể như hình bên dưới: (A là xung đầu ra diode cầu, B là dạng xung đầu ra INT0 đưa vào ngắt).
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 49
Hình 3.8: Dạng xung vào/ra mạch bắt 0v
Tín hiệu tại điểm INT0 cho ta thấy khi điện áp xoay chiều 220V về giá trị 0 thì xung tín hiệu lúc đó tại INT0 sẽ là 5V. Chúng ta sẽ cho tín hiệu này vào vi điều khiển và xử lý. Việc phát hiện được điểm 0 của điện áp 220V sẽ giúp chúng ta đóng mở được trong từng chu kỳ của điện 220V thay vì đóng và mở mỗi chu kỳ.
3.2.3 Các linh kiện trong khối Khối xác định điểm 0 gồm có: Khối xác định điểm 0 gồm có: - Diode cầu 5A.
- Diode Zener 5V.
- Trở công suất 10kΩ/10W. - OPTO
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 50
3.2.3.1 Diode Zener
Khi điện thế phân cực nghịch của diode lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh trong vùng hiếm tăng vận tốc và phá vỡ các nối hóa trị trong chất bán dẫn. Cơ chế này cứ chồng chất và sau cùng ta có dòng điện ngược rất lớn. Ta nói diode đang ở trong vùng bị phá hủy theo hiện tượng tuyết đổ và gây hư hỏng nối P - N.
Ta cũng có một loại phá hủy khác do sự phá hủy trực tiếp các nối hóa trị dưới tác dụng của điện trường. Sự phá hủy này có tính hòa nghịch, nghĩa là khi điện trường hết tác dụng thì các nối hóa trị được lập lại, ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng Zener.
Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cái diode Zener. Bằng cách thay đổi nồng độ chất pha, người ra có thể chế tạo được các diode Zener có điện thế Zener khoảng vài volt đến vài tram volt. Để ý là khi phân cực thuận, đặc tuyến của diode Zener giống hệt diode thường. Đặc tuyến được dùng của diode Zener là khi phân cực nghịch ở vùng Zener, điện thế ngang qua diode gần như không thay đổi trong khi dòng điện qua nó biến thiên một khoảng rộng.
Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode Zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode Zener sẽ giữ lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 51 Diode Zener, còn gọi là "Diode đánh thủng" hay "Diode ổn áp": là loại điốt được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng. Khi sử dụng Diode này mắc ngược chiều lại, nếu điện áp tại mạch lớn hơn điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho dòng điện đi qua. Nhưng nếu điện áp nghịch tăng đến một giá trị thích ứng: Vngược = Vz (Vz : điện áp Zener) thì dòng qua diode tăng mạnh, nhưng hiệu điện thế giữa hai đầu diode hầu như không thay đổi, gọi là hiệu thế Zener.
3.2.3.2 OPTO
Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diot hay một photo transitor. Được sử dụng đẻ các ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất nhu khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn.
Hình 3.10: OPTO
Dùng để cách ly mạch điều khiển và mạch công suất. 3.2.4 Sơ đồ mạch in
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 52
3.3 Mạch Công Suất
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
3.3.2 Nguyên lý hoạt động
Nhiệm vụ chính của mạch này là đóng/mở các triac để điều khiển quạt:
Tín hiệu điều khiển quạt được đưa vào chân 2 của Moc3020, chân DieuKhien = 0 thì Triac dẫn, Dieu Khien = 1 thì Triac khóa. Tuy nhiên, vì phải điều chỉnh tốc độ quạt, nên khi phát xung ở chân Dieu Khien ta phải tính toán thay đổi độ trễ i tại thời điểm bắt được điểm 0v, đó chính là việc thay đổi góc mở alpha cho triac. Độ trễ i này phải nằm trong khoảng từ 0 (ms) < i < 10 (ms). Khoảng thời gian delay này sẽ quyết định tốc độ của động cơ. Như vậy, độ trễ i bé thì triac mở lớn và ngược lại.
Khi tín hiệu tại DieuKhien xuống 0 thì tại điểm G của Triac sẽ có dòng làm cho hai đầu A2 và A1 của Triac thông với nhau. Khi tín hiệu tại OUTVDK lên 1 thì A2 và A1 sẽ đóng khi điện áp xoay chiều về 0 (tức là chênh lệch điện áp giữa A2 và A1 là 0).
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 53
Hình 3.13: Dạng xung mở triac
Việc thay đổi góc mở alpha chủ yếu là cách thay đổi điện áp vào Triac bằng cách thay đổi thời gian kích mở triac.
Công thức để tính góc mở alpha và điện áp:
T= 2*( ontime +offtime)
Với điện áp lưới điện f = 50Hz T = 20ms = 360o Vậy 1ms = 360/20 = 18o 0,1ms = 1,8o
Vậy góc mở α:
α = (offtime / 0,1) * 1,8
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 54
Vo=Vs * D
Trong đó Vs là điện áp lưới (Vs = 220V)
D = ontime/ (offtime +ontime)
Bảng 3.1: Các giá trị tham chiếu góc kích và điện áp tức thời
OFFTime (ms) ONTime (ms) Góc α ( o ) Vo (V) 1 0 10 0 220 2 1 9 18 198 3 2 8 36 176 4 3 7 54 154
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 55 5 4 6 72 132 6 5 5 90 110 7 6 4 108 88 8 7 3 126 66 9 8 2 144 44 10 9 1 162 22 11 10 0 180 0
3.3.3 Các linh kiện có trong mạch Khối công suất gồm có: Khối công suất gồm có:
- MOC3020. - Trở công suất (320 Ω). - Triac ( BTA16). - Điện trở. - Led. 3.3.3.1 MOC3020
Là loại OPTO TRIAC thường được dùng để kích nguồn công suất và cách ly mạch công suất với mạch vi điều khiển.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 56
Hình 3.14: MOC3020
Cách ly về điện và đóng ngắt điện xoay chiều.
3.3.3.2 Triac
Trong đồ án này, sẽ dùng triac BT16 để điều khiển đóng mở điện áp xoay chiều 220v cung cấp cho tải.
Cấu tạo
Triac là linh kiện bán dẫn 3 cực, 4 lớp, nhận góc mở alpha trong cả hai chiều. Là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược, nhưng chỉ có một cực điều khiển. Có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển ẩm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển âm là tốt hơn cả.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 57
Hình 3.15: Sơ đồ chân BTA16 Các thông số cơ bản của BT139:
Điện áp max : VDRM = 800V Dòng điện max : IT = 16A Dòng điện kích : IGT = 0.1A Nguyên lý làm việc Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở triac: A2 (T2) G + + + - - + - -
Triac bắt đầu dẫn tại thời điểm alpha, thời điểm phát xung điều khiển. Triac chỉ ngắt (khóa) khi điện áp đảo chiều và không có xung điều khiển kích vào cực G.
Trường hợp MT2 (+), G (+). Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 58 Trường hợp MT2 (-), G (-). Các điện tử từ N2 phóng vào P2. Phần lớn bị trường nội tai EE1 hút vào, điện áp ngoài được đặt lên J2 khiển cho Barie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Sillic trong vùng. Kết quả là một phản ứng dây chuyển thì T mở cho dòng chảy qua.
Đặc tuyến V-A
Hình 3.16: Đặc tuyến V-A
Triac có đường đặc tính V - A đối xứng nhận góc mở α trong cả hai chiều.
Điều áp xoay chiều một pha ứng với tải R-L:
Khi tiristor T1 mở có phương trình:
Hằng dạng số tích phân A được xác định: Khi θ = α thì i = 0. Biểu thức dòng tải i có dạng:
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 59 Biểu thức này đúng với khoảng θ = α đến θ = β
Góc β được thay đổi bằng cách thay θ = β và đặt i = 0
Trong biểu thức trên:
Tiristor T1 phải được khóa lại trước khi cho xung mở T2, nếu không thì không thể mở được T2, tức β ≤ π + α
Để thỏa mãn điều kiện này ta phải có: α ≥ ψ
Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn phải cung cấp một lượng công suất phản kháng.
Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
Giá trị hiệu dụng của dòng tải:
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 60 Như vậy bằng cách làm biến đổi góc α từ 0 đến π, người ta có thể điều chỉnh được công suất tác dụng từ giá trị cực đại P = (V2/R) đến 0.
Dưới đây là bảng góc mở α ứng với từng loại tải:
Bảng 3.2: Góc mở α với từng loại tải
3.4 Mạch Vi điều khiển
3.4.1 Sơ đồ nguyên lý
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 61 3.4.2 Nguyên lý hoạt động
Trong mạch này tín hiệu từ cảm biến PIR được đưa vào chân 1 tại PINB.0. Các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ SHT10 được đưa vào 2 chân PORTA.0 và PORTA.1.
Sau khi nhận được tín hiệu từ các chân này thì vi điều khiển sẽ có tín hiệu điều khiển tới chân Dieu Khien tại PORTD.5.
LCD16x02 sẽ được kết nối với PORTC của vi điều khiển.
Nguồn của vi điều khiển được lấy từ khối mạch nguồn với điện áp là 5v. 3.4.3 Các linh kiện có trong mạch
Khối vi điều khiển gồm có: - ATmega 32. - Thạch anh 12Mhz. - Tụ pi 18. - Tụ 4.7µ. - Nút nhấn. - Cảm biến nhiệt độ SHT10. - Cảm biến chuyển động PIR.
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 62 3.4.4 Sơ đồ mạch in
Hình 3.18: Sơ đồ mạch in vi điều khiển
3.5 Khối hiển thị LCD
3.5.1 Sơ đồ nguyên lý
Đồ án chuyên ngành Công nghệ Cơ Điện Tử Trang 63 3.5.2 Nguyên lý hoạt động
Thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ…
LCD1602 được kết nối với vi điều khiển thông qua các chân của LCD1602. Sau đó từ những tập lệnh và kết quả cần hiển thị sẽ được hiển thị lên màn hình.
LCD sử dụng là loại hai dòng và 16 cột, cho phép hiển thị cùng lúc 32 kí tự. Với 14 chân điều khiển và hai chân mở rộng.
Hình 3.20: Sơ đồ chân của LCD1602 Bảng 3.3: Bảng sơ đồ chân LCD1602
Chân Ký hiệu I/O Mô tả
1 Vss - Đất