Giáo trình hướng dẫn thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn theo phương pháp ứng dụng lý thuyết p5 pps

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
41
tiếp xúc có sự khuếch tán điện tử tự do bởi số lợng các điện tử ở đây khác
nhau, làm xuất hiện suất điện động tại điểm tiếp xúc mà điện trờng của nó
chống lại sự khuếch tán điện tử từ phía dây có số lợng điện tử tự do nhiều
sang dây có ít hơn. Giá trị suất điện động tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của
hai dây dẫn và nhiệt độ tiếp xúc. Mặt khác, nếu đốt nóng một đầu của dây dẫn
thì hoạt tính của điện tử tự do ở đầu đốt sẽ tăng lên, giữa hai đầu dây cũng suất
hiện suất điện động, do đó dòng điện tử khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh,
hình 2.16 mô tả sự hình thành suất điện động trong vòng dây A-B với điều
kiện số lợng điện tử tự do của dây A(N
A
) lớn hơn số lợng điện tử của dây
B(N
B
), nhiệt độ đầu tiếp xúc là t và đầu kia là t
0
và t > t
0
.

Hình 2.16. Sơ đồ sức điện động
Theo định luật Kêichôp, sức điện động trong vòng dây đợc xác định là:
E = e
AB
(t) - e
A
(t,t
0

) - e
AB
(t
0
) + e
B
(t,t
0
) (2-15)
Sức điện động này sẽ sinh ra dòng điện chạy trong vòng dây. Trong thực
tế, giá trị e
A
(t,t
0
) và e
B
(t,t
0
) rất nhỏ so với e
AB
(t) và e
AB
(t
0
) nên có thể bỏ qua.
Khi đó sức điện động là:
E = e
AB
(t) - e
AB

(t
0
) (2-16)
Nh vậy, sức điện động sinh ra trong các vòng dây tỷ lệ với hiệu nhiệt
độ ở hai đầu dây. Nghĩa là thông qua giá trị suất điện động E đo đợc thì ta sẽ
biết đợc hiệu nhiệt độ ở hai đầu dây. Trong thực tế, cặp nhiệt điện thờng
đợc sử dụng để đo một môi trờng hay vật thể. Nhiệt độ của một đầu đợc
e
A
(t,t
0
)
e
B
(t,t
0
)
e
AB
(t)
e
AB
(t
0
)
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
42

giữ cố định, đầu này đợc gọi là đầu tự do hay đầu lạnh, đầu còn lại đợc đặt
vào môi trờng đo nhiệt độ và đợc gọi là đầu làm việc.
Phơng trình cơ bản của cặp nhiệt điện làm cảm biến đo nhiệt độ có
dạng nh sau:
E = f(T) (2-17)
ở điều kiện chuẩn khi chia độ các cặp nhiệt quy định T
0
= 0
0
C. Việc sử
dụng cặp nhiệt điện có rất nhiều u điểm nh: kích thớc cặp nhiệt nhỏ nên có
thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối tợng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp.
một u điểm nổi bật nữa là cặp nhiệt điện cung cấp suất điện động nên khi đo
không cần có dòng chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng.
Suất điện động của cặp nhiệt trong mỗi dải rộng của nhiệt độ là hàm
không tuyến tính của nhiệt độ cần đo. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi suất điện
động E phụ thuộc vào nhiệt độ của một số loại cặp nhiệt nh hình 2.17.

Hình 2.17. Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của
một số loại cặp nhiệt điện
+ Sơ đồ đo: để đo sức điện động E thì phải ghép đợc thiết bị đo (TBD)
vào trong mạch của cặp nhiệt điện. Việc ghép nối này phải đảm bảo không làm
thay đổi giá trị sức điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện. Trong thực tế
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
43
thờng có hai cách ghép nối cặp nhiệt điện đó là: ghép nối qua đầu tự do và
ghép nối qua một điện cực nhiệt.

Ghép nối qua đầu tự do đợc mô tả nh hình sau:

Hình 2.18. Sơ đồ nối thiết bị đo qua đầu tự do của cặp nhiệt điện
a) Mạch điện b) Sơ đồ tơng đơng
Từ mạch tơng đơng, theo định luật Kiechôp có:
E = e
AB
(t) e
AC
(t
0
) + e
BC
(t
0
) (2-18)
Khi t=t
0
trong vong dây không tồn tại dòng điện, khi đó E=0.
(2-18) => 0 = e
AB
(t
0
) e
AC
(t
0
) + e
BC
(t

0
)(2-19)
=> e
AB
(t
0
) = e
AC
(t
0
) + e
BC
(t
0
) (2-20)
Nh vậy ta có:
E = e
AB
(t) - e
AB
(t
0
) (2-21)
Nghĩa là thiết bị đo không làm thay đổi suất điện động sinh ra trong
vòng dây.
Ghép nối TBĐ trong điện cực nhiệt đợc mô tả nh hình sau:
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội

44

Hình 2.19. Sơ đồ nối TBĐ trong điện cực nhiệt
a) Mạch điện b) Sơ đồ tơng dơng
Theo định luật Kiechôp áp dụng đối với sơ đồ mạch tơng đơng có:
E = e
AB
(t) e
AB
(t
0
) e
BC
(t
1
) + e
BC
(t
1
) (2-22)
Hay E = e
AB
(t) e
AB
(t
0
) (2-23)
Vậy từ hai cách ghép nối trên thấy E = e
AB
(t) e

AB
(t
0
), nghĩa là thiết bị
đo không có ảnh hởng đến tính chất của cặp nhiệt điện và ngợc lại.
Trong thực tế thì một số cặp nhiệt điện có dải nhiệt độ làm việc bị hạn
chế, chẳng hạn nh ở nhiệt độ thấp năng suất nhiệt điện của nó giảm đi làm
cho tính chính xác trong phép đo bị hạn chế. ở nhiệt độ cao có thể xảy ra hiện
tợng tăng kích thớc hạt tinh thể làm tăng độ dòn cơ học, thậm chí có thể bị
nóng chảy hoặc có thể xảy ra hiện tợng bay hơi một trong các thành phần
trong hợp kim làm cặp nhiệt điện.
2.2.5.4. Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến vi mạch LM335
LM335 là loại cảm biến nhiệt độ chính xác trong dải nhiệt độ từ -40
0
C
đến +100
0
C, nó làm việc nh hai Diode Zener và độ biến thiên điện áp theo
nhiệt độ là 10mV/1
0
C. Sơ đồ cấu tạo bên trong vi mạch LM335 có dạng nh
hình 2.20.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
45

Hình 2.20. Sơ đồ cấu tạo vi mạch LM335
Đặc tuyến của LM335 đợc mô tả nh sau:

U =10
ì
T (mV) = 2730 + 10
ì
t (mV) = 2,73 + 0,01
ì
t (V)
Trong đó:
T: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Kelvin (
0
K).
t: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Celsius (
0
C).
Để cho vi mạch làm việc tin cậy và ổn định thì dòng điện cho phép qua
nó là
A

400 đến 5mA. Khi làm việc ở nhiệt độ 25
0
C và dòng điện làm việc là
1mA thì điện áp ra của vi mạch nằm trong khoảng 2,94V đến 3.04V. Đặc biệt
là LM335 có độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, chẳng
hạn nh ở nhiệt độ 25
0
C nó có sai số không quá 1%.
Nh vậy, trong quá trình tự động điều khiển nhiệt độ, để có thể điều
chỉnh nhiệt độ theo đúng yêu cầu của đối tợng nghiên cứu thì việc sử dụng
nhiệt kế dãn nở chất lỏng và nhiệt kế dãn nở chất rắn để điều chỉnh nhiệt độ là
điều hết sức khó khăn vì tính u việt của nó không cao. Mặt khác nhiệt độ là

một đại lợng không điện, do đó để điều chỉnh đợc nó một cách tuyến tính
theo giá trị đặt trớc thì phải chuyển đổi thành đại lợng điện, thiết bị dùng để
chuyển đổi nhiệt độ thành đại lợng điện điện gọi là cảm biến. Vì vậy, để đo
nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn mà có sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
46
độ và chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện áp hay dòng điện. Các cảm biến
nhiệt độ đã trình bày ở trên, mỗi loại có nguyên lý chuyển đổi khác nhau. Cặp
nhiệt điện đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp và nó có u điểm là
chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp và có thể đo nhiệt độ ở
những không gian chật hẹp, nhng có nhợc điểm là khi nhiệt độ thay đổi
trong khoảng hẹp nh tủ nuôi cấy vi khuẩn thì cặp nhiệt điện hoạt động có độ
chính xác không cao, sai số lớn, còn nhiệt kế điện trở là cảm biến chuyển đổi
nhiệt độ sang điện trở, sau đó muốn chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hay
dòng điện thì phải dùng thiết bị chuyển đổi đó là mạch cầu cân bằng, đối với
loại này mạch điện có phần phức tạp nhng cũng đợc dùng khá phổ biến
trong thực tế nhng để đo nhiệt độ một cách chính xác thì cảm biến này có độ
chính xác không cao do có đặc tính phi tuyến. Trong khi đó cảm biến vi mạch
điện tử có những u điểm có thể khắc phục đợc những nhợc điểm của các
cảm biến trên, đó là độ nhạy lớn, có thể đo đợc nhiệt độ trong khoảng hẹp.
Do đó trong đề tài này, để đo nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn em chọn loại
cảm biến vi mạch.
2.3. Khuếch đại thuật toán trong so sánh và khuếch đại tín hiệu
OA (là chữ viết tắt của Operational Amplifier) là bộ khuyếch đại thuật
toán thuộc về bộ khuếch đại dòng điện một chiều, có hệ số khuyếch đại lớn, có
hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán
đóng vai trò rất quan trọng và đợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch

đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực
Cấu tạo và ký hiệu của OA: cấu tạo cơ sở của OA với các tầng đầu là
các tầng khuếch đại vi sai dùng làm tầng vào. Tầng ra của OA thờng là tầng
lặp emito (CC) để dịch mức một chiều. Vì hệ số khuếch đại của tầng emito gần
bằng 1, nên hệ số khuếch đại đạt đợc nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại bổ
xung mắc giữa tầng vi sai và tầng CC. Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của OA
mà quyết định số lợng tầng giữa.
.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
47
Ký hiệu quy ớc của một bộ khuếch đại thuật toán nh hình 2.21. Với
đầu vào U(v.k) (hay U
v+
) gọi là đầu vào không đảo, đầu vào thứ hai U(v.d)
(hay U
v-
) gọi là đầu vào đảo. E
c1
(hay E(c1)) và E
c2
(hay E(c2)) là hai nguồn
cung cấp (có thể là nguồn không đối xứng).

Hình 2.21. Ký hiệu của khuếch đại thuật toán
Đặc tuyến truyền đạt điện áp của bộ khuếch đại thuật toán: đặc tuyến
có dạng nh hình 2.22 sau:

Hình 2.22. Đặc tuyến truyền đạt của OA

Đặc tuyến truyền đạt của OA gồm hai đờng đặc tuyến tơng ứng với
các đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đờng đặc tuyến có một đoạn nằm ngang
ứng với chế độ bão hoà và một đoạn ứng với chế độ khuếch đại. Trên những
đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại
không đổi và đợc xác định bằng các giá trị U
+
rmax
, U
-
rmax
gọi là giá trị điện áp
ra cực đại (điện áp bão hòa) gần bằng E
c
của nguồn cung cấp. Đoạn đặc tính
U
rmax
U
rmax
+E
c
-E
c
U
v
U
r
Đầu vào
không đảo
Đầu vào
đảo

.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
48
biểu thị phụ thuộc tỷ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác
định hệ số khuếch đại của OA.
v
r
U
U
K


=
Trong đó trị số K tùy thuộc vào từng loại OA, có thể từ vài trăm nghìn
lần. Giá trị K lớn cho phép thực hiện hồi tiếp âm nhằm cải thiện nhiều tính
chất quan trọng của OA.
Đờng cong trên hình 2.22 là đờng đặc tính lý tởng đi qua gốc tọa độ.
Trạng thái U
r
= 0 khi U
v
= 0 gọi là trạng thái cân bằng của OA. Tuy nhiên với
những OA thực tế thờng khó có thể đạt đợc cân bằng hoàn toàn, tức là khi
U
v
= 0 thì U
r
có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn không. Nguyên nhân là do tác động

của các linh kiện bên trong khuếch đại vi sai.
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tham số OA gây nên độ trôi điện áp đầu
vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Vì vậy trong mạch điện để cân bằng ban
đầu cho OA ngời ta đa vào một trong các đầu vào của nó một trong các điện
áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp ở mạch vào.
Ngoài ra điện trở ra cũng là một trong những tham số quan trong của OA. OA
phải có điện trở ra nhỏ (cỡ hàng chục, hàng trăm

) để đảm bảo điện áp ra lớn
khi điện trở tải nhỏ.
Một số mạch ứng dụng cơ bản của OA:
+ Khuếch đại đảo hình2.23 sau:

Hình 2.23
Tại nút N có I
1
=I
ht
;
ht
NNv
R
UrU
R
UU

=

1

.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
49
Với giả thiết OA lý tởng U
N
=U
P
, U
P
=0 nên U
N
=0;
=>
ht
r
v
R
U
R
U
=
1

1
R
R
U
U

K
ht
v
r
==
Trong đó K: là hệ số khuếch đại
Tổng trở vào:
1
1
1
R
R
U
U
I
U
Z
v
vv
v
===

+ Khuếch đại không đảo hình 2.24.

Hình 2.24
Trong mạch có hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo.
U
N
=U
P

, mà U
P
=U
v
=> U
N
=U
v
;
rN
U
RR
R
U
21
1
+
=

=>
1
2
1
R
R
U
U
K
v
r

+==
+ Mạch đệm hình 2.25:

Hình 2.25
Hệ số khuếch đại (K) với mạch điện áp 100% U
v
= U
r
K = 1.


.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
50
2.4. Triac dùng trong mạch động lực
Triac là một dụng cụ bán dẫn có tên là Bidirectinal Triode Thyrixtor, là
một loại Thyrixtor có ba cực, làm việc đợc với cả hai chiều dơng và âm của
điện áp và dòng điện. Vì có khả năng dẫn dòng đợc cả hai chiều nên đợc gọi
là Triac (Triode Altemating Current), và cho phép sử dụng Triac trong mạch
xoay chiều nh một khóa điện hoặc nh một bộ biến đổi trị số dòng điện xoay
chiều. Nên các cực đợc gọi là cực chuẩn T
1
và cực vỏ T
2
, cực cửa G.
Cấu tạo của Triac
Triac đợc cấu tạo bởi bốn lớp bán dẫn PNPN đặt xen kẽ
nhau nh hình 2.26 và có thể coi nh hai Thyrixtor PNPN và

NPNP nối song song với nhau. Cực cổng của Triac đợc cấu tạo
phức tạp hơn để có thể điều khiển theo các cách khác nhau:

Hình 2.26. Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu Triac
Mạch tơng đơng của Triac đợc mô tả nh nh hình 2.27 dới đây:

Hình 2.27. Mạch tơng đơng của Triac
Nguyên lý làm việc của Triac
Triac gần nh tơng đơng với hai Thyrixtor nối song song ngợc.
Trờng hợp T
2
(+), G(+), Thyrixtor T mở cho dòng chảy qua nh một
Thyrixtor thông thờng.
.