b. Tính toán tiết diện dây dẫn.
Để có thể chọn được dây quấn biến áp ta cần tính được dịng điện qua tải, cùng với mật độ dòng điện của dây dẫn. ta có thể dùng cơng thức sau để tính tốn giá trị gần đúng:
𝑆 = 𝐼
𝐽 (3.2)
Trong đó:
S là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm2
I: là dịng điện chạy qua mặt cắt vng, tính bằng ampere (A). J: Mật độ dòng diện cho phép (A/mm2).
Mật độ dòng điện cho phép của dây đồng J ~ 6A/ mm2. Ta có cơng suất tải phía Thứ cấp P =60W, U= 800V.
⇒ 𝐼 = 𝑃 𝑈 = 60 800 = 0.075 (𝐴) Theo công thức (3.2) 𝑆 = 𝐼 𝐽= 0.075 1.3 = 0.057 (mm2 ). Mặt khác: S = 𝜋 𝐷2 4 (3.3) ⇒ D = √𝑆×4 𝜋 = √0.057×4 𝜋 = 0.27 mm. (chọn D = 0.4 mm) Ta có cơng suất tải phía sơ cấp biến áp P =80W, U= 155 V.
⇒ I = 𝑃 𝑈 = 80 155= 0.516 (A). Theo công thức (3.2) 𝑆 = 𝐼 𝐽= 0.516 1.3 = 0.397 (mm2 ) Mặt khác theo (3.3) 𝑆 = 𝜋 𝐷2 4 => D = √𝑆×4 𝜋 = √0.397×4 𝜋 = 0.71 mm. (chon D = 0.8 mm)
3.2.2. Mạch nghịch lưu biến áp đơi.
Mạch nghịch lưu có ngun lý như hình bên dưới :
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu
Giai đoạn 1: cơng tắc 1 (CT1) đóng (CT2 hở) làm cho điện áp chạy từ điểm A lên điểm B tạo ra điện áp âm ở cuộn sơ cấp.
Giai đoạn 2 cơng tắc 2 (CT2) đóng (CT1 hở) làm cho điện áp chạy từ điểm A xuống điểm C tạo ra điện áp dương ở cuộn sơ cấp.
Mạch nghịch lưu phải có thời gian trống (dead-time) giữa khoảng thời gian CT1 đóng và CT2 hở và ngược lại. 2 cơng tắc này không thể hoạt động cùng một lúc.
Hình 3.3: Điện áp chuẩn ngõ ra mạch nghịch lưu
Có nhiều van cơng suất có thể làm được cơng việc đóng cắt nhanh như Mosfet và IGBT. Nhưng Mosfet là linh kiện tốt nhất trong trường hợp điện áp DC ~ 200V. Hình bên dưới cho ta biết rõ hơn tại sao lại chọn MOSFET trong trường hợp này [11].
Hình 3.4: Lựa chọn mosfet
a. Mạch kích Mosfet, tính toán sơ bộ mạch kích mosfet.
Vì cơng suất của mạch thấp và dịng qua mosfet chỉ khoảng 1A cùng với điện áp DC cấp cho mosfet chỉ là 155V nên ta dễ dàng tìm và chọn loại Mosfet có trên thị trường. Mosfet IRF840 là Mosfet thông dụng.
Bảng 3.1: Bảng thông số kĩ thuật của IRF840
Ta có thể kích mosfet trực tiếp từ vi điều khiển PIC 16F887 nhưng như thế mạch sẽ không cách ly và sẽ dễ dẫn đến phá hỏng tồn bộ mạch điện khi thi cơng. Do đó phải
dùng Opto cách ly. Opto PC847 thông dụng được lựa chọn để làm linh kiện cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất.
Bảng 3.2: Bảng thông số PC847 ở nhiệt độ 25℃
Hình 3.5: Mạch kích mosfet
Theo thông số kỹ thuật của Mosfet và Opto ta chọn điện áp cấp cho mosfet là 12V (opto có thể chịu áp 𝑉𝑐𝑒= 20V).
Điện áp chân 𝑉𝐴𝐾 = 1.4V, điện áp từ PIC (𝑉𝑝𝑖𝑐 = 5𝑉) ta chọn dòng qua AK 𝐼𝐴𝐾 = 16𝑚𝐴. Từ các thơng số trên ta tính được điện trở R9.
Ta có :
⇒ 𝑅9 = 𝑉𝑝𝑖𝑐−𝑉𝐴𝐾 𝐼𝑅9 ⇒ 𝑅9 = 𝑉𝑝𝑖𝑐− 𝑉𝐴𝐾 𝐼𝐴𝐾 = 5 − 1.4 16 × 10−3 = 225 (𝛺) Chọn R9 = 220 (𝛺)
Hình 3.6: Biểu đồ thời gian đóng cắt mosfet từ datasheet
Theo như biểu đồ Hình 3.6 ta chọn điện trở RG thấp nhất thì thời gian đóng cắt sẽ tối ưu nhất (nhanh nhất). Chọn điện trở RG= 10𝛺 (Hình 3.5)
Cần mắc một điện trở RP tại cực G của mosfet để xả điện áp của tụ điện khi Mosfet mất điện áp kích từ opto, giá trị trở càng nhỏ thì thời gian xả càng nhanh và ngược lại. Theo lý thuyết thời gian xả của tụ bằng :
𝑇𝑥ả = 𝑅𝑃 × 𝐶𝑖𝑠𝑠 (𝐶𝑖𝑠𝑠 = Đ𝑖ệ𝑛 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑛𝑔õ 𝑣à𝑜) (3.3)
Chọn RP = 330 𝛺
⇒ 𝑇𝑥ả = 330 × 1300 × 10−12 = 0.429(𝑢𝑠)
Vì thời gian đóng cắt của Mosfet là khá nhanh nên thời gian dead-time khoảng 5us là thời gian được chọn.
Việc tính tốn này là sơ bộ và cần phải căn chỉnh lại khi tiến hành làm mạch thực tế.
b. Mô phỏng Proteus.
Vẽ sơ đồ mạch như hình bên dưới. Với hàm tạo dead-time:
Hình 3.7: Hàm tạo dead-time
Hình 3.9: Dạng sóng ngõ ra PIC và ngõ vào cực G của mosfet. Kênh A: Ngõ ra PIC kích cho opto 1 Kênh A: Ngõ ra PIC kích cho opto 1
Kênh B: Ngõ vào cực G1 mosfet 1 Kênh C: Ngõ ra PIC kích cho opto 2 Kênh C: Ngõ vào cực G2 mosfet 2
Hình 3.10: Điện áp ngõ ra kích cho biến tử Kênh A: Điện áp ngõ ra biến áp xung kích cho biến tử. Kênh A: Điện áp ngõ ra biến áp xung kích cho biến tử.
3.3. Thiết kế khối điều khiển.
Khối điều khiển có chức năng cài đặt thời gian, hiển thị thời gian và phát xung PWM (tự tạo) cho opto, hiển thị thời gian đã chạy. Với các chức năng đơn giản kể trên. PIC16F887 có khả năng đáp ứng được.
Hình 3.11: Mạch điều khiển
Mạch cần nạp code nhiều lần để thử nghiệm nên dùng chân 1 đến chân 5(nối vào PIC) của hàng rào để nạp code được tiện lợi hơn. Chân 9 và 10 tạo xung cho mạch cơng suất.
Tính tốn điện trở qua LED đơn và LED 7 đoạn. Điện áp hoạt động của led 10mA 𝑉𝐿𝐸𝐷 = 3V Do đó điện trở qua led được tính như sau
𝑉5𝑉 = 𝑉𝑅+ 𝑉𝐿𝐸𝐷 = 𝐼𝑅× 𝑅 + 𝑉𝐿𝐸𝐷 (3.3.0)
⇒R= 𝑉5−𝑉𝐿𝐸𝐷
𝐼𝐿𝐸𝐷 = 5−2
10×10−3 = 200 (𝛺) Chọn điện trở 220 Ohm 1/4W có trên thị trường.
Điện trở kéo lên nhằm đảm bảo hiện tượng trôi nổi của điện áp ngõ vào. Tính tốn điện trở kéo lên dựa vào nguồn cấp cho PIC. Ta muốn dòng điện khi nhấn nút nhấn là bé nhất, thường chọn dòng tiêu thụ khi nhấn nút nhấn là 0.5mA.
⇒ 𝑅 =𝑉5
𝐼𝑅 = 5𝑉
0.5𝑚𝐴 = 10(𝐾𝛺) (3.2.1)
3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.
Hình 3.12: Mạch nguồn 155V cấp cho sơ cấp
Tính tốn thơng số cho mạch nguồn 155V. Đối với mạch chỉnh lưu cầu diode ta có cơng thức:
𝑣𝑜𝑢𝑡 = √2 × 𝑉𝑎𝑐 = √2 × 110 = 155(𝑉) (3.4)
Dịng trung bình qua diode:
𝐼𝑑 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 1(𝐴) (3.5)
Điện áp nghịch qua diode:
𝑉𝑑 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 155 (𝑉) (3.5)
Chọn diode cầu có 𝑉𝑟𝑚𝑠 > 155𝑉. Diode cầu RS507 có 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 700𝑉, dịng 𝐼𝑑 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 5𝐴.
Hình 3.13: Mạch nguồn 12V cấp cho mosfet
Dòng cấp cho cực G mosfet rất nhỏ có thể sử dụng cầu diode như mạch nguồn 155V. Với tụ lọc là 1000uf.
Hình 3.14: Mạch nguồn 5V cấp cho mạch điều khiển.
Điện áp lấy từ nguồn sạc 7V cấp qua cho IC7805 tạo ra điện áp 5V cấp cho mạch điều khiển.
3.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
Hình 3.15: Sơ đồ ngun lý tồn mạch Ngun lý hoạt động:
Xung kích được lấy từ vi điều khiển kích cho opto PC847.
Giai đoạn 1: Opto PC847 thứ nhất (U5) dẫn làm cho điện áp dẫn vào cực G1 của Q1, Q1 dẫn, cảm ứng điện từ làm cho ngõ ra của biến áp âm 400V. Lúc này Q2 đóng. Sau đó Opto PC847 thứ nhất (U5) ngưng dẫn, tạo trễ một khoảng dead-time là 5us. Sau thời gian 5us tới giai đoạn 2.
Giai đoạn 2: Opto PC847 thứ hai (U4) dẫn làm cho điện áp dẫn vào cực G2 của Q2, Q2 dẫn, cảm ứng điện từ làm cho ngõ ra của biến áp dương 400V. Lúc này Q1 đóng.
Sau đó opto PC847 thứ 2 (U4) ngưng dẫn, tạo trễ một khoảng dead-time là 5us. Sau thời gian 5us trở lại giai đoạn 1.
Giai đoạn 1 và giai đoạn 2 luân phiên nhau tạo ra điện áp ngõ ra 800V đỉnh đỉnh tại cuộn sơ cấp.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
Từ các tài liệu ở chương trước chương 4 em sẽ tiến hành thi cơng và lắp đặt hệ thống theo những gì đã tính tốn và mơ phỏng được.
4.1. Thi cơng hệ thống. 4.1.1. Thi cơng bo mạch.
Hình 4.1: Sơ đồ layout linh kiện Bảng 4.1: Thông số và số lượng các linh kiện cần mua Bảng 4.1: Thông số và số lượng các linh kiện cần mua
STT Tên linh kiện
1 IC 7805 1A 1 TO220 Có tản nhiệt 2 IC 7812 1A 1 3 Cầu diode 4A 3 4 Điện trở 220 15 5 IC PIC 16F887 1 DIP40 6 IRF840 2 TO220 7 Điện trở 1k𝛺 5 8 Điện trở 330𝛺 2 9 Điện trở 10𝛺 2
10 Led xanh 10ma 1
11 Led 7 đoạn 2 Anode chung
12 Led đỏ 10ma 1
13 Opto pc847 1
14 Hàng rào 1 Đực
15 Nút nhấn 5 2 chân
16 Tụ điện 10uf 1 Tụ hóa phân cực
a. Thi công mạch điều khiển.
Hàn các linh kiện thấp trước sau đến các linh kiên cao dần.
Để IC7805 gắn vào sau cùng. Trước khi gắn IC 7805 vào mạch ta kiểm tra sơ bộ mạch trước xem có chạm chập gì khơng, có lem đồng giữa các chân hay khơng. Để kiểm tra ta dùng đồng hồ VOM để ở thang đo thông mạch đo. Đo thông mạch nguồn và mass, kiểm tra nghi vấn những chỗ có dấu hiệu. Cẩn thận vì chỉ cần một mẩu chỉ có thể làm ngắn mạch.
Nạp chương trình nhấn Start đo thử điện áp trên chân kích của PIC16F887 nếu điện áp ổn định thì thành cơng mạch điều khiển.
Hình 4.2: Mạch điều khiển sau khi thi cơng
b. Thi công biến áp xung.
Quấn biến áp xung theo thơng số như đã tính tốn. Cuộn sơ cấp quấn từ chân 1 đến chân 2 rồi đến chân 3 tất cả cùng chiều. cuộn thứ cấp quấn theo chiều nào cũng được. Chú ý quấn chắc tay và giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn thêm 1 lớp băng keo giấy giúp cách ly tốt hơn giữa sơ cấp và thứ cấp.
Hình 4.3: Quấn biến áp xung
c. Thi công mạch công suất.
Mạch cơng suất chỉ có vài linh kiện nên không cần phải vẽ mạch in. Ta dùng test board hàn trực tiếp. chú ý các chân của opto vì dễ nhầm lẫn.
Hình 4.5: Mặt trước mạch công suất sau khi thi công
d. Thi công mạch nguồn.
Mạch nguồn chú ý khi thi cơng nhớ gắn vào cầu chì để bảo vệ mạch điện và các thiêt bị trong nhà. Kiểm tra điện áp ngõ ra của các board nguồn sau khi thi cơng xong.
Hình 4.6: Mạch nguồn
e. Thi cơng lắp ráp biến tử vào bể rửa.
Lắp ráp biến tử vào bồn rửa bằng keo A-B: trộn keo A-B lại với nhau đổ lên đáy bồn rửa sau đó để biến tử lên. Chờ khoảng vài tiếng là keo sẽ cứng.
4.1.2. Lắp ráp và kiểm tra.
Mạch nguồn chắc chắn là đã được kiểm tra đúng với các thông số trước khi gắn vào hệ thống. Gắn chân kích của pic16F877 tới opto của mạch công suất. gắn nguồn điện vào hệ thống.
Trước khi gắn bật nguồn 110v ta phải kiểm tra điện áp các chân kích có ổn định hay không. Nếu kim không nhảy lung tung là được. bật khởi động hệ thống, lấy đồng hồ VOM đo vào ngõ ra của biến áp, sau đó nhấn tắt. nếu đồng hồ VOM giảm dần điện áp từ từ là mạch chạy đúng còn nếu điện áp giảm đột ngột là do trùng dẫn cần thay đổi thời gian dead time giữa các chân hoặc xem lại mạch cơng suất xem có sai xót gì khơng.
Biến tử siêu âm phải được gắn chắc chắn với bể rửa. Bề mặt biến tử siêu âm và bề mặt đáy bể rửa phải song song với nhau. Như thế lực truyền sẽ đạt hiệu quả cao nhất.
Hình 4.8: Mạch cơng suất và mạch nguồn sau khi đã lắp ráp xong
4.2. Thi cơng mơ hình.
Đặt các mạch lên tấm mica, sắp xếp các linh kiện một cách hợp lý. Tránh để vỏ của tản nhiệt chạm vào bể rửa, vì như thế sẽ gây ra giật điện. khoan các lỗ để bắt ốc, cố định mạch công suât trên tấm mica.
Sử dụng dây điện ngắn để nối giữa các mạch điện. Tránh để rối dây. Sử dụng keo nhựa để cố định bảng mạch nếu cần thiết.
Hình 4.9: Mơ hình máy rửa sau khi thi cơng
4.3. Lập trình hệ thống.
Lưu đồ giải thuật:
4.4. Hướng dẫn sử dụng.
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, lúc này đèn xanh sáng báo hiệu hệ thống đang ở trạng thái chờ bấm khởi động.
Bước 2: Đổ nước vào bể rửa, tiếp theo cho hóa chất vào bể rửa (dựa vào đối tượng cần thẩy rửa).
Bước 3: Bỏ đối tượng cần tẩy rừa vào bể.
Bước 4: Nhấn nút bật trên PIC16F887 đèn led xanh sẽ tắt đèn led vàng sẽ sáng. Lúc này biến tử siêu âm sẽ thực hiện chức năng tẩy rửa và có âm thanh phát ra từ biến tử.
Bước 5: Chờ cho vật cần tẩy rửa sạch, nhấn nút tắt, đèn led vàng sẽ tắt, đèn led xanh sẽ sáng. Biến tử ngừng hoạt động.
Bước 6: Bỏ đối tượng cần tẩy rửa ra ngồi, đổ nước và hóa chất tẩy rửa ra ngồi, chú ý đem bao tay nếu là hóa chất độc hại.
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5.1. Mạch điều khiển.
Không đáp ứng nhu cầu đặt ra từ trước khi làm đồ án như có thể hiển thị LED7 đoạn cài đặt thời gian chạy, có cảm biến nhiệt độ để điều khiển thiết bị gia nhiệt. chỉ thực hiện được chức năng cơ bản là tạo xung kích cho mạch cơng suất.
Mạch điều khiển tạo xung ổn định cho biến tử siêu âm.
5.2. Mạch công suất.
Mạch công suất đã tạo ra được điện áp đo trên đồng hồ VOM số là 230VAC gần đạt tới điện áp tính tốn.
Mạch công suất cấp tần số và điện áp cho biến tử siêu âm hoạt động. Bể rửa tạo ra bọt nhỏ, to xung quanh đáy của bể rửa.
Xuất hiện các bọt di chuyển hỗn loạn trong bể va chạm với thiết bị cần rửa.
Đưa tay vào bể rửa có hiện tương như bị giật điện. (hiện tượng bình thường khi cho tay vào bể rửa siêu âm).
Biến tử siêu âm kêu to và có thể tẩy rửa được một số thiết bị, vật bẩn.
Bỏ vật cần tẩy rửa vào có hiện tượng khuếch tán các bụi bẩn ra xung quanh. Mạch công suất tuy chưa đạt đủ cơng suất nhưng hoạt động ổn định và có thể
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết luận.
Trong q trình thực hiện mạch tuy gặp nhiều khó khắn do thiếu kiến thức và nhân lực. Nhưng em đã rất cố gắng, nỗ lực để hoàn thành yêu cầu cơ bản nhất của máy rửa siêu âm.
Kết quả:
Thiết kế thi cơng lập trình được mạch điều khiển tạo ra xung điều khiển kích cho mosfet hoạt động ổn định.
Thiết kế và thi công được mạch công suất từ lý thuyết cơ bản.
Thiết kế tính tốn được bộ nguồn phù hợp với mạch công suất.
Thiết kế và thi cơng biến áp xung.
Lập trình phần mềm dead time cơ bản nhất có thể.
Công suất tẩy rửa tổng của hệ thống đo được là 35 -40W.
Hệ thống có cơng suất chưa đúng với tính tốn thiết kế ban đầu do thời gian và khả năng hạn chế. Chưa có cơng cụ hỗ trợ tốt trong suốt quá trình làm đồ án.
Mơ hình theo em thấy là đạt được kết quả tương đối khả quan. Áp dụng được những kiến thức cơ bản nhất vào thực tế.
6.2. Hướng phát triển đề tài.
Sau khi làm xong đồ án về máy rửa siêu âm em thấy cần cải tiến rất nhiều thì mới có thể trở thành sản phẩm có tính kinh tế cao được. Hướng cải tiến và phát triển như sau.
Cải tiến cách quấn biến áp để cho điện áp tốt hơn.
Cải tiến mạch điều khiển có thể lập trình PWM với Dead- time
Không cần cách ly mạch điều khiển và mạch cơng suất, cần tính tốn ảnh hưởng của điện áp cao đến PIC.
Thiết kế tính tốn chính xác bể rửa, bề dày bể rửa, phương pháp tối ưu gắn biến tử vào bể rửa.
Thử nghiệm, đánh giá các ảnh hưởng cửa nhiệt độ và hóa chất đến khả năng tẩy rửa.
Lựa chọn các linh kiện và thành phần cấu thành bể rửa rẻ nhất để có thể đưa vào