Quá trình hình thành giáo trình kết cấu mạch điện từ có xung trong quy trình nuôi cấy vi khuẩn p7 pps

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
61
Khối so sánh: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đo đợc với tín hiệu
chuẩn rồi đa 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 tơng ứng để đa 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 dơng.
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
62
Tranzitor này làm việc nh một khóa điện tử, trạng thái làm việc phụ thuộc vào
xung điều khiển. Mỗi khi có xung nhọn dơng 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 (R
t

). Khi tín hiệu điều khiển
U
đk
tăng lên ( nhiệt độ trong tủ nuôi cấy thấp), mạch so sánh lật trạng thái sớm
hơn vì vậy các xung nhọn đợc 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 dơng đặt lên anốt và xung áp dơng 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 đợc 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 đợc giữ ổn định ở giá trị nhiệt độ đặt.
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 (D
1
) đợc mắc ở đây có chức năng triệt tiêu các xung âm sinh ra
trong mạch sơ cấp của BAX và loại trừ hiện tợng 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 C
1
, R
1
mắc song song với Triac có tác dụng tránh hiện tợng mở

không mong muốn. Bởi vì khi xảy ra trờng hợp điện áp đặt lên Triac tăng với
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
63
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
1
R=25
,
1
0,47CF

=
.
Điện trở R
LP
có tác dụng hạn chế dòng cho đèn báo LP.
R
t
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 thờng 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: Dơng Minh Trí , thông số kỹ thuật của Triac gồm có:
U

ađm
= 600V
I
ađm
= 8A
U
GT
= 1,5V
I
GT
= 100mA

At
G

20=
+ 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 U
1
= U
2
= U
GT
= 1,5V và I
1
= I
2
= I

GT
= 100mA.
Trong đó I
1
, U
1
là dòng điện và điện áp sơ cấp của BAX. Còn I
2
,
U
2
là dòng điện và điện áp thứ cấp của BAX.
+ Chọn điện áp cung cấp E
CC
= 9V. Từ sơ đồ mạch động lực thấy khi Q
1

mở thì E
CC
= I
1
ìR
2
+ U
1
+ U
CE

=>
=

ì


=


=

72
10100
3.05.19
3
1
1
2
I
UUE
R
CECC

Chọn
=100
2
R

Vì I
1
= I
C
= 100mA.

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
64
=> Chọn Tranzitor (Q
1
) 2SC1815 (loại NPN) với các thông số nh sau:
I
C
=150mA; 130

= ; P
C
= 400mW;T=125
0
C;
Vậy dòng
mA
I
I
C
B
77,0
130
100
===


+ Chọn Diode (D
1

): 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: U
đm
= 50V; I
đm
= 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:
== K
mA
V
R
LED
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 đợc về nhiệt độ chuẩn mà đã đợc đặt trớc thì phải sử dụng
bộ so sánh để so sánh tín hiệu đo đợc nhờ cảm biến với tín hiệu chuẩn đã đặt
trớc. Sai lệch ở đầu ra của bộ so sánh sẽ đợc xử lý ở mạch hiệu chỉnh sai số.
Ngoài ra, để tạo ra đợc 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 ca 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:
318
V
UV= ữ
.
Điện áp vào lớn nhất:
30
V
U
=
.
Công suất tiêu hao: P=680mW.
Nguồn cung cấp:
15
CC
V
=
.
Dòng điện làm việc I
lv
=1mA
ở nhiệt độ làm việc 25
0
C thì TL082( hoặc TL084) có một số tính chất sau:
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
65
Hệ số khuếch đại điện áp: k=106dB.

Dòng điện dịch: 30pA.
Tốc độ ra tăng điện áp đầu ra
13 /Vs

.
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 U
đặt
, và
tín hiệu điện áp đo đợc từ cảm biến U
đo
vào mạch so sánh thì:
Nếu U
đặt
> U
đo
=> tín hiệu U
ra
có giá trị âm. Khi đó nhiệt độ trong tủ
thấp hơn nhiệt độ đăt, bộ so sánh sẽ đa đến bộ điều khiển tín hiệu đóng mở
Triac để đa nhiệt độ trong tủ về giá trị nhiệt độ đặt.
Nếu U
đặt
< U

đo
thì tín hiệu U
ra
có giá trị dơng. Khi đó nhiệt độ trong tủ
lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ so sánh sẽ đa 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
Sơ đồ tạo xung điều khiển cho nh hình 3.4 sau:
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
66

Hình 3.4. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển
Hoạt động của khối nh sau: tín hiệu điều khiển U
đk
là kết quả của sự
sai lệch điện áp. ở đây nó tơng ứng với sự chênh lệch giữa nhiệt độ thực đo
đợc nhờ cảm biến và nhiệt độ đặt nhờ bộ tạo tín hiệu chuẩn. Tín hiệu xung
răng ca U
X
đợc so sánh với tín hiệu điều khiển U
đk
nhờ bộ so sánh dùng
khuếch đại thuật toán TL082. Tín hiệu xung răng ca đợc đa vào đầu không
đảo còn tín hiệu điều khiển đợc đa vào đầu đảo. Bộ so sánh này đợc mắc
theo nguyên lý không có phản hồi nên tín hiệu ra của nó có thể là bão hòa
dơng hoặc bão hòa âm phụ thuộc vào mối tơng quan giữa tín hiệu điều khiển
U
đk

và tín hiệu xung răng ca U
X
. 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 lợng của tụ điện C
2
, các xung
nhọn này khi qua bộ vi phân vẫn còn có xung âm. Sau khi đi qua Diode (D
2
)
thì các xung âm bị chặn lại.
Nh vậy, xung điều khiển góc mở là những xung nhọn dơng có thời
điểm xuất hiện là lúc giao nhau giữa điện áp điều khiển với sờn sau của xung
răng ca.
Sơ đồ dạng xung nh hình 3.5 sau:
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
67

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 đợc
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 t
x
là độ rộng xung:
sRCt

x

202,2
42

ì
ì


Chọn
FC

47,0
2
= => =
ì
= 4,19
47,02,2
20
4
F
s
R


thực tế chỉ có điện trở có
giá trị
= 20
4
R

.
Nh vậy, trong mạch vi phân R-C chọn
= 20
4
R , FC

47,0
2
= .
Tính chọn R
3
với I = 0,77mA
=>
==
ì


=

=

77013.913.9770100
1077.0
3.05.19
9
3
2
)1(
2
3

R
I
UU
R
QC
BED

Chọn
=10
3
R
Chọn D
2
(loại 1N4001) có các thông số kỹ thuật là:
U
D2
= 50V; I
D2
=1A.


Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
68
3.3.1.4. Mạch tạo xung răng ca đồng bộ
Trong thực tế muốn điều chỉnh Triac đóng mở (với một góc mở

nào
đó) tự động theo yêu cầu của bài toán thì chúng ta cần phải tạo ra đợc tín hiệu

điện áp đồng bộ với tín hiệu điện áp đặt lên anôt-catôt của Triac. Để làm đợc
việc này ngời ta thờng tạo ra xung răng ca đồng bộ (hay còn gọi là điều
khiển thẳng đứng tuyến tính) đây là phơng pháp hay đợc sử dụng nhất ngoài
ra ngời ta cũng có thể điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng
ARCCOS. Trong đề tài này tôi sử dụng phơng pháp điều khiển thẳng đứng
tuyến tính. Sơ đồ mạch tạo xung răng ca đồng bộ nh hình 3.6 sau:

Hình 3.6. Sơ đồ mạch tạo xung răng ca đồng bộ
Hoạt động của mạch tạo xung răng ca đồng bộ này nh sau: nguyên lý
chung để tạo ra xung răng ca là đầu tiên ta phải tạo ra đợc xung vuông sau
đó dùng mạch tích phân cho ra xung răng ca. Trong đề tài này tôi thiết kế
mạch tạo xung răng ca có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán TL082, nó gồm
có 2 OA (U1A và U1B) đóng trong một vỏ, U1A(TL082) đợc dùng trong
mạch tạo xung vuông, U1B(TL082) dùng cho mạch tích phân tạo xung răng
ca.
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 dơng của tín hiệu xoay chiều vào đầu không đảo của
U1A(TL082) lúc đó đầu vào không đảo sẽ dơng hơn đầu vào đảo nên đầu ra
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
69
của U1A(TL082) sẽ có tín hiệu xung điện áp bão hoà +9V (với giả thiết bộ so
sánh này là lý tởng) thì tín hiệu vào đầu không đảo giảm dần đến lúc nhỏ
hơn đầu vào đảo và âm dần khi đó đầu ra của U1A(TL082) lật trạng thái đến
chế độ bão hoà âm (-9V) trong khoảng thời gian nào đó thì tín hiệu đầu vào
không đảo dơng hơn đầu đảo, đầu ra của tín hiệu sẽ lật trạng thái và có tín
hiệu xung điện áp dơng, quá trình lại tiếp tục lặp đi lặp lại nh vậy. Sơ đồ
dạng xung của mạch này nh hình 3.7 sau:

Hình 3.7. Sơ đồ dạng xung vuông
Mạch tạo xung răng ca: mạch gồm có một khâu tích phân, Diode chỉ
cho tín hiệu dơng đi qua và một Tranzitor (Q2) để đóng mở, hoạt động của
mạch này là khi có xung dơng qua Diode vào đầu không đảo của
TL082(U1B) dơng hơn đầu vào đảo nên cho tín hiệu qua U1B(TL082) đồng
thời nạp cho tụ C3 tín hiệu ra lúc này tăng dần tuỳ thuộc vào dung lợng của tụ
lớn hay nhỏ, còn khi tín hiệu vào là xung âm sẽ đi vào cực B của Q2 khi đó Q2
sẽ mở cho dòng chảy qua khi đó tín hiệu ở đầu vào không đảo nhỏ hơn tín hiệu
đầu đảo do đó xung ra sẽ giảm dần nhng nhờ có tụ C3 nên xung ra chỉ giảm
Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46

Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội
70
đến 0V thì tụ lại phóng. Do đó ở đầu ra ta sẽ nhận đợc một chuỗi xung răng
ca.
Sơ đồ dạng xung đầu ra có dạng nh hình 3.8 sau:

Hình 3.8. Sơ đồ dạng xung răng ca
Tính toán lựa chọn các linh kiện trong mạch này nh sau:
Độ rộng xung ra của mạch tích phân R
6
- C
3
và khuếch đại thuật toán
U1B(TL082) là

)32,2(R3) (2,2t
36x2
ữ

=
ì
ì
ữ
= C . Với

là hằng số thời gian:
36
CR ì=

, chọn
36
0005,0 CRs
ì
=
=

.
Chọn
FpFC

222.0222
3
=
= => == K
F
s
R 52.22
222,0
0005,0

6

. Nh vậy, chọn
= KR 22
6
.
Chọn Tranzitor (loại PNP) mã hiệu 2SA564 có các thông số kỹ thuật
sau:
I
C
= 100mA, 250=

, P
C
= 250mW, T
j
= 125
0
C.
Vì khuếch đại thuật toán U1A(TL082) có dòng làm việc là 1mA, dòng
cực bazơ của Tranzitor là
mA
mA
II
I
CC
B
4,0
250
100

250
====

, R
7
có tác dụng hạn
chế dòng cho Tranzitor. Do đó,
== K
mA
V
R 9
1
9
7
, với giả thiết 9V là điện áp ra