Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ lò sấy

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 5
LỜI MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ SẤY 8
1.1. Khái niệm chung về lò sấy điện trở. 8
1.2.1. Tìm hiểu chung. 8
1.2.2. Phân loại phương pháp sấy. 8
1.3. Các yêu cầu chủ yếu đối với vật liệu làm dây sợi đốt. 9
1.4. Vật liệu làm dây đốt. 10
1.4.1. Vật liệu hợp kim. 10
1.4.2. Vật liệu phi ki
m loại. 11
1.5. Cấu tạo của dây đốt điện trở. 11
1.5.1. Dây đốt hở. 11
1.5.2. Dây đốt kín. 12
1.6. Một số lò sấy điện trở gián tiếp thường dùng. 13
1.6.1.Thiết bị sấy buồng. 13
1.6.2. Thiết bị sấy kiểu hầm. 14
1.6.3. Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto. 15
1.7. Nội dung nghiên cứu. 16
1.8. Kết luận chương 1. 16
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ
17
2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ. 17
2.2. Khối cảm biến. 17
2.3. Khâu hiển thị. 19
2

2.4. Khối công suất. 20
2.4.1.Van bán dẫn IGBT. 23
2.4.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 23
2.4.3. Các thông số cơ bản IGBT. 24
2.5. Lựa chọn thiết bị gia nhiệt(dây đốt). 25
2.5.1. Thiết bị gia nhiệt. 25
2.5.2. Đặc điểm. 25
2.6. Bộ điều khiển. 26
2.6.1. Vi điều khiển PIC16F887. 26
2.6.2. Một số đặc tính cơ bản và sơ đồ chân chi tiết. 29
2.6.3. Chức năng các chân. 30
2.7. Truyền thông máy tính. 31
2.7.1. Giới thiệu vi mạch giao tiếp MAX 232. 31
2.7.2. Cổng nối tiếp RS232. 32
2.7.3. Truyền thông qua cổng nối tiếp RS232. 33
2.7.4. Để truyền dữ liệu nhanh hơn. 35
2.8. Kết luận chương 2. 35
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 36
3.1. Sơ đồ khối các mạch điện trong hệ thống. 36
3.2. Thiết mạch công suất. 36
3.3. Thiết kế mạch điều khiển. 37
3.3.1.Mạch nguồn.
37
3.3.2.Mạch đo nhiệt độ. 38
3.3.3. Mạch vi điều khiển. 38
3.4. Kết luận chương 3. 40
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT VÀ THUẬT TOÁN
ĐIỀU KHIỂN 41
3

4.1. Chương trình giám sát. 41
4.1.1. Labview. 41
4.1.2. Giao diện khi hoàn thiện của Labview trong đồ án. 42
4.1.3. Code Labview trong giao diện đồ án. 43
4.2. Tổng hợp bộ điều khiển . 44
4.2.1. Bộ điều khiển PID. 44
4.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID. 46
4.2.3. Lấy đặc tính và nhận dạng đối tượng. 50
4.2.4. Nhận dạng đối tượng. 50
4.2.5. Mô phỏng Simulink đặc tính của đối tượng. 52
4.3.Thuật toán điều khiển và viết chương trình.
54
4.3.1.Thuật toán điều khiển và thuật toán PID.
54
4.3.2.Thử nghiệm trên mô hình. 55
4.4. Kết luận chương 4. 56
KẾT LUẬN 57
Kết quả thu được: 57
Hướng nghiên cứu và phát triển: 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
PHỤ LỤC 59

4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID: Proportional Integral Derivative.
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor.
CPU : Central Processing Unit.
ADC: analog to digital converter.
PWM: Pulse Width Modulation.
LCD: liquid-crystal display.

















5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Dây tiết diện tròn quấn hình rích rắc và lò so. 12
Hình 1.2: Dây đốt vỏ bọc hình chữ U 13
Hình 1.3: Thiết bị sấy buồng. 14
Hình 1.4: Thiết bị sấy hầm. 15
Hình 1.5: Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto. 16
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ 17
Hình 2.2: Cấu tạo và mạch đo cơ bản IC LM35D 18
Hình 2.3: LCD 16x2
19
Hình 2.4: Mạch công suất 21
Hình 2.5: Cấu tạo IGBT 22
Hình 2.6: Bóng đèn sợi đốt 24
Hình 2.7: Các khối chức năng của PIC16F887 25
Hình 2.8: Sơ đồ chân PIC16F887 29
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển - MAX232 - PC. 30
Hình 2.10: Giắc nối 9 chân qua cổng COM. 31
Hình 2.11: Giao tiếp máy tính với vi điều khiển qua cổng RS232 32
Hình 2.12: Khung truyền theo chuẩn RS232 33
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng vi điều khiển 35
Hình 3.2: Sơ đồ mạch công suất. 35
Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguồn. 36
Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối cảm biến. 37
Hình 3.5: Mạch vi điều khiển. 37
Hình 3.6: Mạch LCD và phím bấm. 38
6

Hình 3.7: Mạch giao tiếp RS232. 38
Hình 3.8: Mạch in. 39
Hình 4.1: Giao diện người dùng trên máy tính. 41

Hình 4.2: Sơ đồ code Labview. 42
Hình 4.3: Các thành phần trong bộ điều khiển PID 43
Hình 4.4: Điều khiển với bộ điều khiển 43
Hình 4.5: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ 46
Hình 4.6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn K
gh
. 48
Hình 4.7: Xác định chu kỳ tới hạn. 48
Hình 4.8: Đặc tính thực của mô hình đối tượng lò nhiệt 49
Hình 4.9: Đặc tính trễ của mô hình đối tượng lò nhiệt 50
Hình 4.10: Cách xác đinh đặc tính của lò sấy mô hình 50
Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống khi lấy đặc tính 51
Hình 4.12: Bảng nạp thông số PID. 52
Hình 4.13: Đặc tính của đối tượng lò sấy mô phỏng trên simulink. 52
Hình 4.14: Kết quả thực nghiệm mô hình 55
Bng 1: Tính toán thông số bộ điều khiển 51
Bng 2: Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm 52

7

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày này nhu cu s dng nng lng nhit trong các lnh vc sn sut là rt
ln. Nng lng nhit có th dùng  sy khô, nung chy, hay nhit luyn  to
ra các sn phm vi cht lng cao. Mt trong các ng dng ph bin ca nng
lng nhit chính là dùng  sy. Thit b sy là mt phn rt quan trng trong
các nghành sn xut hin nay.Các ng dng hin nay cn s dng t
hit b sy là
rt ln nh sy các sn phm trong nghành nông nghip nh thóc,ngô hay cà phê,
ht iu, vi,…,trong nghành thy sn thì  sy khô các sn phm tôm cá,…,và
c bit trong nghành công nghip nh dt may, sn, sn xut gch,thc n chn

nuôi… thì lò sy là mt thit b không th thiu. Vi mong mun tìm hiu sâu
hn v lò sy và nhng ng dng khoa hc k thut c áp
dng vào ó, chúng
em ã la chn  tài” thit k h thng giám sát và iu khin nhit  lò sy”.
 tài tp trung vào vic tìm hiu tng quan công ngh lò sy, gii thiu các
phng pháp iu khin nhit  lò sy và chn mt phng pháp  nghiên cu
và tin hành thit k m
ô hình iu khin và giám sát cho lò sy.









8

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ SẤY
1.1. Khái niệm chung về lò sấy điện trở.
Lò sy in tr là thit b bin i in nng thành nhit nng thông qua
dây t (dây in tr). T dây t thông qua bc x , i lu và truyn dn nhit,
nhit nng c truyn ti vt cn gia nhit. Lò sy in tr thng dùng  nung
sy,
1.2. Tìm hiểu chung về thiết bị sấy và phân loại các phương pháp sấy.
1.2.1. Tìm hiểu chung.
Thit b sy là thit b nhm t
hc hin các quá trình làm khô các vt liu,
các chi tit hay sn phm nht nh, làm cho chúng khô và t n  m nht

nh theo yêu cu, trong các quá trình sy, cht lng cha trong vt liu thng là
nc, tuy vy, trong k thut sy cng thng gp nhng trng hp sy các sn
phm b m bi các cht lng hu c nh sn, các cht ánh xi
1.2.2. Phân loại phương pháp sấy.
Phng pháp sy chia làm hai loi ln là sy t nhin và sy bng thit b.
a. Sấy tự nhi
ên.
Sy t nhiên là quá trình phi vt liu ngoài tri. Phng pháp này s dng
ngun bc x ca mt tri và m bay ra c không khí mang i (nhiu khi c
h tr bng gió t nhiên).

Phng pháp sy t nhiên có u im là n gin, u t vn ít, b mt
trao i ln, dòng nhit bc x t mt tri ti vt có mt  ln (ti 1000 w/m
2
).
Tuy vy sy t nhiên có nhc im là: thc hin c gii hóa khó, chi phí lao
ng nhiu, cng  sy không cao, cht lng sn phm không cao, chim din
tích b mt ln
b.Phương pháp sấy nhân tạo.
c thc hin trong lò sy. Có nhiu phng pháp sy nhân to khác
nhau. Cn c vào phng pháp cung cp nhit có th chia ra các loi sau:
• Phng pháp sy i lu.
• Phng pháp sy bc x.
9

• Phng pháp sy tip xúc.
• Phng pháp sy bng in trng dòng cao tng.
• Phng pháp sy thng hoa.
Trong mi phng pháp k trên phng pháp sy i lu, bc x và tip
xúc c dùng rng rãi hn c, nht là phng pháp sy i lu.

Mi phng pháp sy k trên c thc hin trong nhiu kiu thit b khác
nhau, ví d: sy i lu c t
hc hin trong nhiu thit b sy nh thit b sy
bung, sy hm, sy bng ti, thit b sy kiu tháp, thit b sy thùng quay, thit
b sy thùng quay, thit b sy tng sôi, thit b sy kiu thi khí ng Phng
pháp sy bc x nhit có th thc hin trong thit b sy bc x dùng dây in
tr Phng pháp sy tip xúc có th thc hin trong các thit b nh th
it b sy
tip xúc vi b mt nóng, thit b sy tip xúc kiu tay quay, thit b sy tip xúc
cht lng
Mi loi vt liu sy thích hp vi mt s phng pháp sy và mt s kiu
thit b sy nht nh. Vì vy tùy theo vt liu sy mà ta chn phng pháp sy và
thit b sy cho phù hp  t c hiu qu và cht lng sn phm c
ao.
1.3. Các yêu cầu chủ yếu đối với vật liệu làm dây sợi đốt.
Trong các lò sy in tr, dây si t là phn t chính bin i nng lng
in nng thành nhit nng thông qua hiu ng Joul
e. Dây t cn phi làm t vt
liu tha mãn yêu cu sau:
• Kh nng chu nhit cao, bn c hc tt, dây in tr không c bin
dng, chúng có th t bn vng di tác dng ca bn thân dây in tr.
• in tr sut ln to cho dây in tr có cu trúc nh khi cùng áp ng mt
công xut theo yêu cu, d dàng b trí trong lò.

• H s nhit in tr nh: ngha là nhit  càng cao thì in tr càng ln.
• Kích thc hình hc phi n nh, ít thay i hình dáng bi nhit  làm
vic.
• Các tính cht in phi c nh.
10

• D gia công kéo dây, d hàn, i vi vt liu phi kim loi cn ép khuôn
c.
1.4. Vật liệu làm dây đốt.
 tha mãn c yêu cu trên, trong thc t rt khó có vt liu áp ng
c. Nhng ngi ta ã chn mt s nguyên vt liu áp ng c t các yêu
cu chính  ch to dây in tr. Các vt liu ó là ca hp kim Niken và Crôm,
thng gi là “Nicrô
m”. Hp kim ca Crôm và nhôm cacbonrun.
1.4.1. Vật liệu hợp kim.
a. Hợp kim micrôm.
Hp kim micrôm có  bn nhit tt nht vì có lp màng oxit crôm
(Cr
2
O
3
), bo v rt cht, chu s thay i nhit  tt nên có th làm vic trong
các lò có ch  làm vic gián on. Hp kim micrôm có tính c tt  nhit 
thng cng nh nhit  cao, do, d gia công, d hàn, in tr sut ln, h s
nhit in tr nh, không có hin tng già hóa.
Nicrôm là vt liu t tin, nên ngi ta có khuynh hng tìm các vt liu
khác thay th.
b. Hợp kim sắt - crôm – nhôm.
Hp kim
này chu c nhit  cao, tha mãn yêu cu các tính cht in,
nhng có nhc im là giòn, khó gia công, kém bn c hc nhit  cao. Vì vy
tránh các tác ng ti trng ca chính dây in tr.
 dãn dài ti 30 – 40% ã gây khó khn khi lp t trong lò, cn tránh
on mch khi dây dãn dài và b cong.
Nhng kích thc dùng ph bin nht:
• Dây in tr có dng xon lò xo. ng kính dây 5; 5,5; 6; 6,5; 7 (mm

).
• Dây in tr dng li, cu trúc kiu dích dc. ng kính dây: 8; 8,5; 9
(mm).
• Dây có tit din ch nht, cu trúc kiu dích dc: 2.20; 2,5; 25; 3.30 (mm).
11

• Trong các lò i lu tun hoàn hoc trong các bung nung không khí,
ngi ta dùng các dây dn in tr có ng kính: 3; 3,5; 4 và 4,5 (mm)
hoc dây bng có tit din: (1.10); (1,2.12); (1,5.15).
1.4.2. Vật liệu phi kim loại.
a.Vật liệu cacbonrun [SiC].
Cacbonrun chu c nhit  1350 ÷ 1450
o
C. in tr sut ln hn nhiu so
vi dây kim loi, chúng t ti 800 – 900 mm
2
/m. Vì vy các thanh các bon có
kích thc ln. Các thanh các bon giòn khi tng nhit  lên phi nâng nhit  t
t. in tr ca cacbonrun gim khi nhit  tng. Khi làm vic thì b già hóa vì
vy cn phi tng in áp cp cho lò. Tui th ca thanh nung cacbonrun là 1000
– 2000h nu nhit  cao hn thì thi gian gim xung.
b.Than và grafit.
Than và grafit c dùng  ch to dây t di dng thanh, ng, tm
hoc ni. Ta trn thêm
mt lng nh famot vào grafit  tng  bn nhng li
làm gim nhit  làm vic, tng in tr sut, khi nung than và grafit d b oxi
hóa trong không khí, nên dùng trong các lò khí bo v hoc tính toán thi gian
làm vic ngn.
c. Cripton.
Cripton là hn hp ca grafit, cacbon và t sét. Chúng c to ht có

ng kính 2÷3 (mm).  dng ht, xut hin in tr tip xúc gia các ht nên

in tr sut ca cripton ln hn in tr sut ca than hoc grafit. Nó ph thuc
vào  nén cht. Cripton b cháy dn khi làm vic, nhng r tin và d cu to và
nó n gin.
1.5. Cấu tạo của dây đốt điện trở.
Vi phng pháp nung nóng bng dây in tr, dây t c phân làm hai
loi là dây t h và dây t kín.
1.5.1. Dây đốt hở.
Là
dây t không có bc bo v.
12





Hình 1.1: Dây tiết diện tròn quấn hình rích rắc và lò so.
a. Ưu điểm của loại này: Ta nhit d, d b trí, giá thành r, d sa cha.
b. Nhược điểm: chóng b n mòn, chóng hng. Tính an toàn kém, trong mt s
trng hp nh hng ti cht lng sn phm. Dây t h thng cun theo
hình lò xo hoc kiu dích dc.
1.5.2. Dây đốt kín.
Có v bc bng thép quanh phn t nung nóng.

a. Ưu điểm:
• Ít b oxi hóa, h hng, thi gian s dng lâu.
• Trong mt s trng hp làm tng cht lng sn phm.
• Tng hiu sut.
b. Nhược điểm: Truyn nhit kém hn dây t h, to nhit  không cao. Khi

h hng không sa cha c, b trí khó, giá thành t.
c. Cấu tạo : Xét dây t loi ch U:

1. V kim loi: làm bng thép không r.
2. Lp ngn cách gia v và phn t nung nóng m bo cách in dn
nhit, thng dùng là bt MgO
3. Phn t nung nóng thng dùng Cr
2
Ni
80
. Ngi ta hàn u ni qua c 
ni dây a in vào si t.
4. u ni.
5. Ecu.
13


Hình 1.2: Dây đốt vỏ bọc hình chữ U.
1.6. Một số lò sấy điện trở gián tiếp thường dùng.
1.6.1.Thiết bị sấy buồng.
Thit b sy bung dùng trong vic sy nhng vt liu dng cc, ht, vi
nng sut không ln lm và làm theo chu k. Bung sy có th xây dng bng
thép tm,  gia có tm cách nhit hoc n gin hn có th xây bng gch có lp
cách nhit hoc không có.

Tác nhân trong thit b sy thng là không khí nóng hoc khói lò. Không
khí c t nóng nh clorife in hoc khí , khói. Calorife thng c t
trên nóc hoc hai bên sn. Trong thit b sy bung gm hai loi là tác nhân sy
lu ng t nhiên và lu ng cng bc. Vt liu sy t trên xe goòng, 
thun tin trong vic vn chuyn vt liu c b trí trên khay. Vic b trí vt

liu trên khay cng rt quan trng vi cht lng sn phm sy và nng sut sy.
Thit b sy bung là thit b s dng rng rãi nht hin nay vì có kt cu
n gin, d vn hành, vn u t ít, phù hp vi các xí nghip va và nh.
14

Hình 1.3: Thiết bị sấy buồng.
1. Bê tông ct thép, 2. Bông thy tinh, 3. ng dn khí thi, 4. Gch ,
5. Xe gòng cha vt liu sy.
1.6.2. Thiết bị sấy kiểu hầm.
Thit b sy hm là mt trong nhng thit b i lu dùng khá rng rãi trong
công nghip nó dùng sy vt liu dng bt, ht, vi nng sut cao, kh nng c
gii vt liêu sy c a r
a a vào liên tc.
Hm sy thng dài 10÷15 m hoc ln hn, chiu ngang ph thuc xe goòng
và khay sy liu.Trn hm làm bng bê tông cách nhit. Tác nhân sy thng là
khí nóng c gia nhit t calorife khí và b trí trên nóc hm. Vn  thi m
thc hin nh ng thoát m trên nóc hm  phn cui dn ra nh qut thi m.
15


1.Calorife, 2. Kênh dn khí nóng, 3. Xe cha vt liu sy, 4. Qut gió,
5. ng thoát khí.

Hình 1.4: Thiết bị sấy hầm.
1.6.3. Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto.
Thit b sy dùng trong trng hp cn to áp lc y áng k ca khí.
Nng lng tiêu th ca h thng gió bng Ejecto xác nh bi tc  cn thit
cn to ra  ming vòi phun và tr lc cn khc phc  tun hoàn m
ôi cht trong
bung sy.

16


1.Xe goòg  vt liu sy, 2. Calorife, 3. Qut gió, 4. ng c qut,
5. ng thoát khí.
Hình 1.5: Thiết bị sấy buồng dùng Ejecto.
1.7. Nội dung nghiên cứu.
Qua vic kho sát v h thng sy ã nêu ra  trên, trong  tài thit k tt
nghip em tp trung vào:
• Tìm hiu tng quan v quy trình công ngh sy.
• Phân tích và la chn thit b cho h thng iu khin nhit  sy bung vi
nhit  trong khong t 0
0
C n 100
0
C.
• Xây dng thut toán iu khin và thit k mch mô hình  kim nghim
ánh giá kt qu.
• Xây dng chng trình phn mm giám sát và iu khin trên Labview.
1.8. Kết luận chương 1.
Chng 1 ã gii thiu chung v mt s phng pháp sy, tìm hiu các loi
si t thng c s dng,  xut ni dung nghiên cu ca  tài. Tron
g
chng 2 em tip tc i vào tính toán la chn thit b.
17

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ

2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ.

Hình 2.1:
Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ.
Bao gm các khi nh sau:
• Khi công sut: Tín hiu t b iu khin s iu khin khi công sut t ó
mà thay i c in áp cho phù hp ra ti si t.
• Ti si t: S dng  sinh nhit.
• Cm bin: Thc hin vic o nhit  ti thi im h
in ti  lò sy, a v
u vào ADC ca b iu khin.
• B iu khin: Thc hin vic tính toán, iu khin các khi chc nng có
liên quan, truyn thông vi máy tính và xut tín hiu a ra khâu hin th.
• Hin th: Hin th nhit  hin ti và nhit  t lên màn hình LCD.
• Máy tính: Hin th nhit  t,và nhit  o v, lu giá tr o v. t giá tr
nhit  mong m
un…
2.2. Khối cảm biến.
Khi iu khin nhit  chúng ta phi có thit b  c nhit  ca i

tng a v b iu khin, nó s có nhim v tính toán theo mt thut toán nht
nh, t ó a ra tín hiu ti các thit b chp hành có liên quan  iu khin
nhit  theo yêu cu mt cách chính xác. Thit b ó là chính là cm bin.
MÁY TÍNH CẢM BIẾN
BỘ ĐIỀU KHIỂN
MẠCH CÔNG SUẤT
DÂY ĐỐT
HIỂN THỊ
18

Khi chuyn giá tr nhit , áp sut, sang in áp hoc dòng in. Cm bin
nhit  thng da vào nhng bin i mang tính c trng ca vt liu nh:
• S bin i in tr.
• Sc in ng sinh ra do s chênh lch nhit   các mi ni ca các kim
loi khác nhau.
• S bin i th tích, áp sut.
• S thay i cng  bc x ca vt th khi b bc nóng.
i vi chuyn i
nhit in, ngi ta thng da vào hai tính cht u
tiên  ch to ra các cp nhit in (thermocouple), nhit in tr kim loi hay bán
dn, các loi cm bin nhit  di dng các linh kin bán dn nh: diode,
transistor, các IC chuyên dùng.

Các thông s v in sau khi c chuyn i t nhit  có th s c x
lý trc khi n phn tính toán trong CPU và a ra thit b hin th. Các b phn 
khâu x lý có th gm phn hiu chnh, khuch i, bin i ADC (Analog-Digital-
Converter)…
Ngày nay vi s phát trin ca khoa hc k thut, rt nhiu loi cm bin ra

i vi nhng u im ni bt, có kh nng to ra dòng in hoc in áp t l vi

nhit  tuyt i vi  tuyn tính cao, vn hành n gin tuy nhiên di o không
c ln. Các h cm bin s có th k ra nh h cm bin LM135, 235, 335, h
cm bin LM35, LM35DZ, , ds18b20,…PT100. Vi yêu cu trong  án này là o
nhit  ca i tng m
ô hình lò sy vi nhit  mc thp (0
o
C ti 100
o
C), yêu
cu  chính xác và  tuyn tính khi o cao nên em chn s dng IC làm cm
bin, IC em chn là IC LM 35 DZ  làm cm bin o nhit  vi các c tính và
u im trình bày bên di:


Hình 2.2: Cấu tạo và mạch đo cơ bản IC LM35DZ.
• LM35D là mt loi cm bin nhit  có in áp ngõ ra ph thuc vào nhit
.
19

•  nhy 10mV/°C.
• Di nhit  làm vic là 0°C n 100°C. Phm vi in áp s dng t 4V n
30V.
•  chính xác ±1°C,  tuyn tính tt (sai s phi tuyn ti a ±0,5°C).
• Dòng in trng thái tnh nh (80mA).
• LM35D có v ngoài ging nh các transistor (kiu T0-92).
Khi s dng không cn linh kin ngoài, cng không cn tinh chnh, ch cn ni
vi mt ng h 1V hoc dùng VOM s có th dùng làm
máy o nhit .
u im:
• Tuyt tính nht.

• Ngõ ra có giá tr cao nht.
• R tin.
Nhc im:
• Nhit  o di 100
0
C.
• Cn cung cp ngun cho cm bin.
2.3. Khâu hiển thị.
Khâu hin th có th là c cu c in, kt qu o c th hin bng góc
quay hoc s di chuyn thng ca kim ch th. Vi cách này thì  nhy và kh
nng quan sát không cao khi mc thay i xy ra nhanh. Ngày nay thì thng s
dng các loi IC gii mã, IC s chuyên dng trong bin i ADC vi nhng tí
nh
nng u vit nh sinh ng và d quan sát, có th hin th c các yêu cu khác
nhau,…do ó em s dng khâu ch th s. Ph bin nh dùng LED 7 on hoc
màn hình tinh th lng LCD,…kt qu o c th hin bng các con s trong h
thp phân. Trong  tài em s dng màn hình LCD 16x2 vi u im là giá r, d
s dng, tính linh hot cao  hin th giá tr nhit  t, giá tr nhit  o v.


Hình 2.3:
LCD 16x2.
Mô t các chân ca LCD:
20

• VSS: chân ni t cho LCD, khi thit k mch ta ni chân này vi GND ca
mch iu khin.
• VDD: Chân cp ngun cho LCD, chân này ni vi VCC ca mch iu
khin.
• VEE: iu chnh  tng phn ca LCD.

• RS: Chân chn thanh ghi (Register select), ni RS vi mc logic “0” (GND)
hoc “1” (VCC)  chn thanh ghi. Mc logic “0” thì bus DB0 – DB7 s ni
vi thanh ghi lnh IR ca LCD (ch  ghi – write) còn mc logic “1” ni
vi b m a ch ca LCD (
ch  c – read).
• R/W: Chân chn ch  c/ghi (Read/Write). Ni chân R/W vi mc logic
“0”  LCD hot ng  ch  ghi, hoc ni vi logic “1”  LCD  ch 
c
• E: Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiu c t lên bus DB0 –
DB7, các lnh ch c chp nhn khi có mt xung cho phép ca chân E. 
ch  ghi, d liu  bus s c LCD ch
uyn vào (chp nhn) thanh ghi bên
trong nó khi phát hin mt xung (high-to-low transition) ca tín hiu chân E.
 ch  c, d liu s c LCD xut ra DB0 – DB7 khi phát hin sn
lên (low-to-high transition)  chân E và c LCD gi  bus n khi nào
chân E xung mc thp.
• 7 ÷ 14. (DB0 ÷ DB7): Tám ng ca bus d liu dùng  trao i thông tin
vi CPU. Có hai ch  s dng là ch  8 bit, ch  c truyn trên c
tám
ng vi bit MSB là DB7 còn  ch  4 bit thì d liu c truyn
trên bn ng t DB4- DB7, vi bit MSB là DB7.
• 15 LED +: Dng ngun.
• 16 LED –: Âm ngun.
2.4. Khối công suất.
Bn cht ca vic iu khin nhit  chính là iu khin i lng công
sut t vào lò sy.
P = I². R
 thay i công sut này thì theo công thc trên, ta có th thay i giá tr R
hoc I. Tuy nhiên nu thay i R thì không có tính linh hot và gây hn ch phm
vi iu khin nên trong thc t phng pháp này ít c s dng.

Do ó  th
ay i nhit  lò sy ta thng dùng cách thay i giá tr dòng
in ra ti. Có nhiu cách  thay i giá tr này nh nh dùng bin áp, r le hoc
21

van bán bán dn… Nu dùng r le thì có u im là n gin, d ghép ni, phù hp
vi các yêu cu òi hi  chính xác không cao. Nhng nó có nhc im là 
dao ng nhit ln, rle phi óng ct nhiu ln nên  tin cy kém và d b h
hng phi thng xuyên kim tra thay th.
Chính vì th mà van bán dn là s la chn c u tiên nht. Các van bán
dn hay c dùng nh Thysistor, Triac, IGBT Chúng cho phép iu chnh trong
phm vi rng,  chính xác cao,  nhy iu chnh tng i ln, có kh nng
iu chnh liên tc v
à u n.
Thông qua vic so sánh các phng pháp iu khin và van bán dn,  n
gin phn mch công sut em chn phng pháp iu chnh công sut lò sy dùng
van bán dn IGBT. Phng pháp iu khin là iu khin thi gian óng ngt ca
IGBT, qua ó s th
ay i in áp trung bình ra ti và iu chnh c nhit . S
dng IGBT có u im là n gin, tn s óng ngt cao, kh nng chu áp ngc
ln, không cn mch ng pha nh Thysistor, áp ng c b PWM trong b
iu khin và ít gây tn hao công sut. c bit s dng IGBT có phn mch lc
cách ly và mch iu khin không ph th
uc vào dòng ra ti.
S  mch lc và tính toán in áp ra ti:

Hình 2.4:
Mạch công suất.

- ip áp sau cu chnh lu U

2
=0.9×U
1
=220×0.9=198 (V).
- in áp trung bình ra ti s là U
d
= (t
0
/T)×U
2
(V).
22

Trong ó t
0
là thi gian van IGBT m, T là chu k xung PWM phát ra. Xung
iu khin PWM s c xut ra t b iu khin i vào cc iu khin G, t ó
thay i trng thái óng ngt ca IGBT dn n thay i in áp trung bình ra ti.
23

2.4.1.Van bán dẫn IGBT.
Trong  án em chn van công sut là IGBT 3N80. Insulated gate bipolar
transistor (IGBT) c phát minh vào u nhng nm 1980 và là linh kin rt
thành công vi nhng c tính ni tri. IGBT có cu trúc 3 cc ng dng trong
iu khin nng
lng in và nhiu ng dng khác không th hiu qu khi không
có IGBT. Trc khi xut hin
IGBT, BJT và MOSFET c s dng rng rãi
trong các ng dng công sut va và nh vi tn s óng ngt cao mà  ó GTO
không th s dng.

IGBT có c tính tt hn so vi các linh kin còn li do IGBT là mch
Darlington ca BJT và
MOSFET, nó có in tr khi dn nh nh BJT, cách ly cc
iu khin và cc công sut nh MOSFET và iu khin bng in áp.
2.4.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Hình 2.5:
Cấu tạo IGBT.
Lp p  cc Collector ca IGBT kt hp vi lp n trong vùng khuych tán
to thành lp tip xúc p-n khi dn.  n gin ta gi thit cc Emitter là in th
mát (ground potential). Khi in th cc C âm, lp tip xúc p-n khuch tán phân
cc ngc ngn không cho dòng in ti chy trong linh kin  trng thái ngt. Khi
cc G có in áp mát (ground potential) mà in áp dng trên cc C, tip xúc p-n
khuch tán cng phân cc ngc, làm
cho dòng in ti không chy trong linh kin
 trng thái cha dn. Khi cc G mang in th dng ln hn in áp óng V
Th
,
kênh n c hình thành cho phép in t dch chuyn vào vùng n-khuch tán. Lp
tip xúc p-n khuch tán phân cc thun và in tích l hng dch chuyn vào vùng
khuch tán. Trong vùng này in t kt hp vi in tích l hng thit lp khong
trung hòa, các in tích l hng còn li kt ni vi cc E to dòng in gia hai cc
E-C.
24

IGBT là transistor công sut hin i, có kích thc gn nh. Nó có kh nng
chu c in áp và dòng in ln cng nh to nên  st áp va phi khi dn
in.
IGBT có cu trúc gm bn lp p-n-p-n, có cu to gm 3 cng Gate (G),
Collector (C), Emitor (E). Mch iu khin ni vào cng G-E, mch công sut

c ni gia cng C-E.
Vic kích dn IGBT c thc hin bng xung in áp a vào cc iu
khin G. Khi tác dng lên cng G in th dng so vi Em
itter  kích óng
IGBT, các ht mang in loi n c kéo vào kênh p gn cng G làm giàu in tích
mch cng p ca transistor n-p-n và làm cho IGBT dn in.  ngt IGBT ta ngt
in áp cp cho cng G-E.
2.4.3. Các thông số cơ bản IGBT.
IGBT kt hp nhng u im ca MOSFET và BJT. u im ca IGBT là

kh nng óng ngt nhanh, làm nó c s dng trong các b bin i iu ch 
rng xung tn s cao. IGBT hin chim v trí quan trng trong công nghip vi
hat ng trong phm vi công sut n 10MW hoc cao hn na.
Ging nh MOSFET, linh kin IGBT có in tr mch cng ln làm hn ch
công sut tn hao khi óng và ngt. Ging nh BJT, linh kin IGBT có  st áp

khi dn in thp(23V; 1000V nh mc) nhng cao hn so vi GTO. Kh nng
chu áp khóa tuy cao nhng thp hn so vi các thyristor. IGBT có th làm vic vi
dòng in ln. Tng t nh GTO và transistor, IGBT có kh nng chu áp ngc
cao.
So vi thyristor, thi gian áp ng óng và ngt IGBT rt nhanh khong mt
vài giây và kh nng chu ti t n mc in áp vài ngàn Volt (6kV), dòng in
vài ngàn Am
pe.
• Kh nng óng ct nhanh n 100kHz.
• Áp nh mc n 6.3 kV.
• Dòng nh mc n 2,4 kA.
• in tr linh kin khi dn n 50m.
• ng dng cho b bin i có công sut ln n 10MW.
• Có kh nng chu áp ngc cao.

• St áp thp 2-3V vi áp nh mc 1000V.
Các trng thái óng ngt.

U
CE
>0, U
GE
>0:IGBT óng.
U
GE
<=0:IGBT ngt.
25

Mch bo v: IGBT có kh nng hot ng tt không cn n mch bo v.
Trong trng hp c bit, có th s dng mch bo v ca MOSFET áp dng cho
IGBT.
2.5. Lựa chọn thiết bị gia nhiệt(dây đốt).
2.5.1. Thiết bị gia nhiệt.
Thit b gia nhit là thit b chuyn hóa in nng thành nhit nng. Thit b
gia nhit làm
vic da trên c s khi có mt dòng in chy qua mt dây dn hoc
vt dn thì  ó s to ra mt lng nhit theo nh lut Jun-Lenx :

TRIQ
2
=

Q - Lng nhit tính bng Jun (J).
I - Dòng in tính bng Ampe (A).
R - in tr tính bng ().

T - Thi gian tính bng giây (s).
2.5.2. Đặc điểm.
c im ca dây t là phi làm vic trong nhng iu kin khc nghit òi
hi phi áp ng c mt s yêu cu nh:
• Chu nóng tt, ít b oxi hóa  nhit  cao.
• Phi có  bn c hc cao, không b bin dng  nhit  cao.
• in tr sut phi ln.
• H s nhit in tr phi nh.
• Các tính cht in phi c nh hoc ít t
hay i.
• D gia công.
Trong khuôn kh ca  tài là làm mô hình thc nghim nên em chn thit b
gia nhit là bóng èn si t có công sut 60W  d quan sát hn.


Hình 2.6: Bóng đèn sợi đốt.