Giáo trình hướng dẫn phân tích khả năng vận dụng nguyên lý chuyển mạch với vi mạch tần số p7 pps

§å ¸n tèt nghiÖp NguyÔn V¨n Tó _ Líp
T§H46


Khoa c¬ ®iÖn - 73 - Tr−êng §HNNI_ Hµ Néi


3.2.1.1. Mét sè loi cm bin nhit  hiÖn ti.
Tu theo lnh vc o và iu kin thc t mà ta có th chn mt trong bn
loi cm bin: Thermocouple (nhit ngu), RTD, Thermistor và IC bán dn. Mi
loi u có u im và nhc im riêng ca nó.
3.2.1.1.1 Thermocouple.
+ u im:
- Là thành phn tích cc, t cung cp công sut.
- n gin.
- R tin.
- Tm thay i rng.
- Tm o nhit  rng.
+ Nhc im:
- Phi tuyn.
- in áp cung cp thp.
- òi hi in áp tham chiu.
- Kém n nh nht.
- Kém nhy nht.
3.2.1.1.2. RTD (Resistance Temperature Detector).
+ u im:
- n nh nht.
- Chính xác nht.
- Tuyn tính hn Thermocouple.
+ Nhc im:
- t tin.

- Cn phi cung cp ngun dòng.
- Lng thay i R nh.
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 74 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

- in tr tuyt i thp.
- T gia tng nhit.
3.2.1.1.3. Thermistor.
+ u im:
- Ngừ ra cú giỏ tr ln.
- Nhanh.
- o hai dõy.
+ Nhc im:
- Phi tuyn.
- Gii hn tm o nhit .
- D v.
- Cn phi cung cp ngun dũng.
- T gia tng nhit.
3.2.1.1.4. IC bỏn dn.
+ u im:
- Tuyn tớnh nht.
- Ngừ ra cú giỏ tr cao nht.
- R tin.
+ Nhc im:
- Nhit o thp (di 200
o

C).
- Cn cung cp ngun cho cm bin.
3.2.1.1.5. Cm bin nhit độ loi IC bỏn dn.
Trong thực tế ngời ta đã và đang sử dụng rất nhiều dụng cụ và thiết bị khác
nhau để đo nhiệt độ.
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 75 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

T nhng phõn tớch nhng u im v khuyt im ca cỏc phng phỏp o
nói trờn, trong ỏn ny chỳng tụi xut phng ỏn la chn cm bin loi IC
bỏn dn. Do ú õy chỳng tụi ch i sõu v IC cm bin nhit.


Nguyờn lý hot ng chung ca IC o nhit .
IC o nhit l mt mch tớch hp nhn tớn hiu nhit chuyn thnh tớn
hiu in di dng dũng in hay in ỏp. Da vo c tớnh rt nhy ca cỏc
bỏn dn vi nhit : di tỏc ng ca nhit ó to ra in tớch t do v cỏc
l trng trong cht bỏn dn. Bng s phỏ v cỏc phõn t, bt cỏc electron thnh
dng t do di chuyn qua vựng cu trỳc mng tinh th to s xut hin cỏc l
trng. Lm cho t l in t t do v l trng tng lờn theo quy lut hm s m vi
nhit . T ú to ra in ỏp hay dũng in t l thun vi nhit tuyt i. o
tớn hiu in ta bit c giỏ tr ca nhit cn o.
c tớnh ca mt s IC o nhit thụng dng:
+ AD590.
- Ngừ ra l dũng in.
- nhy: 1A/

o
K.
- chớnh xỏc: +4
o
C
- Ngun cung cp: 4 ữ 30 V.
- Phm vi s dng: -55
o
C ữ 150
o
C.
+ LX5700.
- Ngừ ra l in ỏp.
- nhy: -10mV/
o
K.
- Phm vi s dng: -55
o
C ữ 150
o
C.
3.2.1.1.5. 1. cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM335
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 76 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

õy l loi cảm biến m chỳng tụi la chn trong tớnh toỏn, thit k v ch

to trong lun vn ny.
LM335 l cm bin o nhit c tớch hp t cỏc cht bỏn dn cú th o
nhit rt chớnh xỏc v d dng chun hoỏ. Nú lm vic nh mt diode Zener,
LM335 cú in ỏp ỏnh thng t l trc tip vi nhit tuyt i l 10mV/
o
K.
Khi kim tra 25
o
C thỡ LM335 cú sai s nh hn 1
o
C.
Khụng ging nh cỏc cm bin khỏc, LM335 cú u ra tuyn tớnh.
Đặc tuyến của nó đợc mô tả theo công thức sau:
U = 10.T (mV) = 2730 + 10.t (mV) (3.5)
LM335 c ng dng trong phm vi nhit t -40
o
C ữ 100
o
C. Tr khỏng
thp v u ra tuyn tớnh ó lm cho vic ghộp ni mch ra v mch iu khin
tr nờn rt n gin.
Cỏc c trng ca LM335:
+ o trc tip nhit Kelvin.
+ Dũng lm vic t 400àA ữ 5mA.
+ Tr khỏng ng nh hn 1.
+ Kim tra d dng.
+ Phm vi nhit o rng.
+ R tin.
Sơ đồ cấu tạo của vi mạch LM335
.

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 77 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội


Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo của vi mạch LM335.

Hình 3.2: Sơ đồ lắp ráp cảm biến LM335 đơn giản.
R1 là điện trở giới hạn dòng qua cảm biến đợc tính ở điều kiện chuẩn là ở
nhiệt độ t = 20
0
C .Nếu chọn dòng là I mA thì R1 đợc tính theo công thức:
R1 =
I
E 2,0

. 10
3
() (3.6)
Trong đó: E là điện áp nguồn (V).
R
t
là điện trở tải ().
Để đảm bảo đặc tính tuyến tính của chuyển đổi đo thì I
t
<< I. Độ lệch tuyến
tính của LM 335 có thể đạt 1
0

C . Khi nhiệt độ đo t = 0
0
C thì tín hiệu điện áp ra
U = 2,73 V.
Để đảm bảo độ chính xác cao nhất trong giới hạn đo cần thiết, để khi nhiệt
độ là t = 0
0
C thì U = 0V ta sử dụng mạch sau:
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 78 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội


Hình 3.3: Mạch hiệu chỉnh LM335.
Trong đó: R
c
là chiết áp.
C là tụ lọc nhiễu cho cảm biến.


- Connection diagram:

- Cỏc nh mc tuyt i cc i:
+ Dũng ngc: 15mA.
+ Dũng thun: 10mA.
+ Phm vi nhit c trng.
Liờn tc Khụng liờn tc

-40
o
C ữ 100
o
C 100
o
C ữ 125
o
C
- chớnh xỏc nhit :
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 79 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

LM335A LM335
Thụng s iu kin
Min Typ Max Min Typ Max
n
v
in ỏp ra
Tc=25
o
C,
I
R
=1mA
2.95 2.98 3.01 2.92 2.98 3.04 V

Sai s khụng
c ly chun
Tc=25
o
C,
I
R
=1mA
1 3 2 6
o
C
Sai s khụng
c ly chun
T
min
<T
C
<T
max
,
I
R
=1mA
2 5 4 9
o
C
Sai s c ly
chun ti 25
o
C

T
min
<T
C
<T
max
,
I
R
=1mA
0.5 1 1 2
o
C
Sai s c ly
chun ti nhit
m rng
T
C
=T
max

(intermittent)
2 2
o
C
Khụng tuyn
tớnh
0.3 1.5 0.3 1.5
o
C

Bảng 3.1: chớnh xỏc nhit .

- Cỏc tớnh cht in:
LM335/LM335A
Thụng s iu kin
Min Typ Max
n v
in ỏp u ra thay i
theo dũng
400àA<I
R
<5mA ti
T
C
=25
o
C
3 14 V
Tr khỏng I
R
=1mA 0.5
H s in ỏp/ nhit
u ra
+10 mV/
o
C
Hng s thi gian
Still air
100 ft/ min air
Sterred oil

80
10
1

Sec
Sec
Sec
bn thi gian T
C
=125
o
C 0.2
o
C/khr
Bảng 3.2: Cỏc tớnh cht in.
Các tính chất thực thi điển hình:
Sự thay đổi điện áp ngợc Đáp ứng thời gian
theo dòng:

.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 80 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội


Điện trở nhiệt tại chỗ nối tới Đáp ứng nhiệt trong thùng dầu
không khí

Sai số chuẩn hóa
Trở kháng động



Hằng số thời gian Các tính chất thuận

.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 81 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội




Các tính chất ngợc Điện áp nhiễu





Đáp ứng nhiệt trong không khí tĩnh:



.

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 82 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

Chun hoỏ LM335.
LM335 cú mt phng phỏp chun hoỏ
thit b d dng cho chớnh xỏc cao. Ni nhỏnh
hiu chnh ca LM335 vi mt bin tr 10K.
Bi vỡ u ra ca LM335 t l vi nhit
tuyt i. Do ú vi vic iu chnh bin tr, u
ra cm bin s cho 0V ti 0
o
K.
Sai s in ỏp u ra ch l sai s dc
(do u ra tuyn tớnh theo nhit ). Vỡ vy, chun hoỏ dốc ti mt nhit s
lm ỳng tt c cỏc nhit khỏc.
in ỏp u ra ca cm bin c tớnh theo cụng thc:
V
outT
= V
outT0
*
0
T
T
(3.7)
Trong ú: T l nhit cha bit.
T0 l nhit tham chiu.

C hai u tớnh bng nhit Kelvin.
Bng cỏch chun hoỏ u ra ti mt nhit s lm ỳng u ra cho tt c
cỏc nhit khỏc. Thụng thng u ra c ly chun l 10mV/
o
K.
Vớ d ti 25
o
C ta s cú u ra cú in ỏp l 2,98V.
Tuy nhiờn, LM335 cng nh bt k loi cm bin no khỏc, s t lm núng
cú th lm gim chớnh xỏc.
Ngoi ra, LM335 l loi cm bin khụng thm nc. Vỡ vy, khi ta phun
sơng ớt sẽ không làm ảnh hởng tới độ chính xác của nó.
3.2.1.2. Mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM335.
Trong mạch ta sử dụng một số thiết bị nh: Cảm biến nhiệt độLM335, bộ
chuyển đổi tơng tự số ADC 804, chíp vi điều khiển 89C051, LED 7 vạch, mạch so
sánh.v.v

VCC
R2
2.2K
R1
10K
1 3
2
D1
LM335
1
3
2
Output

10mV/oK
.
Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp
TĐH46


Khoa cơ điện - 83 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội

3.2.1.2.1. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in của mạch cảm biến nhiệt độ
(Phần phụ lục).
3.2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch và tính toán chọn các thiết bị cho
mạch.
Nguyên lý hoạt động và tính toán chọn thiết bị cho khối mạch cảm biến và
mạch gia công:
Mch gia cụng thc hin hai chc nng l khuch i v hiu chnh to
ra in ỏp l 0V khi o 0
o
C.
Xột mch trờn ta thy:
Cỏc khuch i thut toỏn ta s dng loi OP07 l loi OA cú offset thp. U1
v U2 úng vai trũ l cỏc b m in ỏp lý tng: cú tr khỏng vo rt ln v tr
khỏng ra rt nh, khụng cỏc u vo nh hng ln nhau.
Cỏc t C1, C2, C3 v C4 cú tỏc dng chng nhiu v n nh ngun nuụi cho
mch.
Ta cú ỏp ti chõn 2 ca cm bin LM335 l:
V
s
= K*T
a
[

o
K] = K*(273 + t
a
[
o
C]) vi K = 10mV/
o
K. (3.8)
Ti 0
o
K, V
s
= 0V, nờn ti 0
o
C => V
s
= 2,73V.
=> V
s
= 2,73 + K*t
a
[
o
C]. (3.9)
cú giỏ tr in ỏp ra ca LM335 ti 0
o
C l 2,73V, trong thc t ta nhỳng
cm bin vo nc ỏ v hiu chnh R4 cho n khi in ỏp ra ca LM335 l
2,73V thỡ dng.
Do ú nhm to ra in ỏp u ra l 0V ti 0

o
C ta cn cú khi tr phn in ỏp
2,73V ti 0
o
C m LM335 to ra. Bin tr R2 chớnh l phn bự tr phn in ỏp m
ta núi trờn.
U3 úng vai trũ l b cng cú khuch i. Xột trng hp nú tuyn tớnh, ỏp
dng phng phỏp xp chng cho tng kớch thớch ngừ vo, ngn mch ngừ vo
cũn li. Gi V
out1
l ỏp ngừ ra ca U3 ng vi ngừ vo o, V
out2
l ỏp ngừ ra ca
U3 ng vi ngừ vo khụng o. Hai thụng s ny c tớnh nh sau:
.
§å ¸n tèt nghiÖp NguyÔn V¨n Tó _ Líp
T§H46


Khoa c¬ ®iÖn - 84 - Tr−êng §HNNI_ Hµ Néi


21
*
5
6
Uout
V
R
R

V −=
(3.10)

12
*
)87(*5
)65(*8
Uout
V
RRR
RRR
V
+
+
=
(3.11)
Nh vy in áp ti u ra ca U3 là:
V
out
= V
out1
+ V
out2
=
21
*
5
6
*
)87(*5

)65(*8
UU
V
R
R
V
RRR
RRR
−
+
+
(3.12)
Chn R5 = R7, R6 = R8 ta c:
V
out
=
)(*)(*
5
6
2121 UUVUU
VVAVV
R
R
−=−
(3.13)
Suy ra in áp ti u ra ca mch (JH1) s thay i A
V
*10mV khi nhit 
thay i 1
o

C.
Mt khác  phân gii ca ADC0809 là 5/255 = 19,6  20mV. Tc là ADC
ch thay i mt digit sau khi áp thay i 20mV. Nh vy nu ta chn A
V
= 1 thì
ng vi nhit thay i 2
o
C ADC mi thay i 1 digit.  nhn bit c s thay i
nhit  là 1
o
C ta phi chn A
V
= 2.
Ö Chn R6 = 20K và R5 = 10K.
 tính chn R3, ta xét iu kin hot ng ca LM335  nhit 
t
a
= 25
o
C, I
R
= 1mA thì in áp ngõ ra ca LM335 là 2,98V.
Ö R3 =
Ω=
−
K
mA
VV
02,2
1

98,25
(3.14)
Ö Chn R3 = 2.2K. Ta cng chn R1 = 2.2K.
Chú ý: các bin tr trong mch cm bin này s dng bin tr chnh tinh (hay
bin tr o lng), loi có cu to gm nhiu vòng dây in tr xon bên trong,
.