Tự động hóa và điều chỉnh thiết bị điện (chương 4)

Chơng 4: Các phấn tử trong hệ thống tự động điều khiển
vòng kín. (8 tiết)
4.1 Khuếch đại thuật toán (KĐTT)
4.1.1. Giới thiệu về KĐTT
Khuếch đại thuật toán là phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều khiển t-
ơng tự. Thuật toán khuếch đại thuật toán có nghĩa là nhờ mạch khuếch đại
này mà ta có thể tạo đợc các thuật toán điều khiển khác nhau
Sơ đồ nguyên lí và sơ đồthay thế của KĐTT giới thiệu trên hình 41.1.
KĐTT có hai đầu vào: đầu vào đảo (-) tín hiệu ra trái dấu với tín hiệu vào
đầu vào không đảo (+) tín hiệu ra đồng dấu với tín hiệu vào, một đầu ra.
4.1.2. Các thông số cơ bản của KĐTT
Điện áp nguồn cấp 5 ữ 18 V (Trị số này chỉ cho gần đúng cho đa số các
loại KĐTT, chi tiết phải tra bảng thông số KĐTT)
Dòng điện ra I
R
3 mA
Công suất tiêu thụ P 60 mW
Vùng nhiệt độ làm việc -55
O
C ữ 125
O
C
Tần số làm việc cực đại khoảng hàng kHz
Hệ số khuếch đại K = 10
5
- 10
7

Điện trở đầu vào Z
V
1M

Điện trở đầu ra Z
R
100
Độ mất đối xứng điện áp vào (OFFSET) 1mV
Độ mất đối xứng dòng điện vào (OFFSET) 10
-8
A
Dòng điện tĩnh đầu vào (Biascurrent) 10
-7
A
Độ trôi điện áp và dòng điện theo nhiệt độ 10
-8
V/
O
K, 10
-10
A/
O
K
Tốc độ tăng điện áp
=
dt
du
4.1.3. Hàm truyền của KĐTT
1. Khuếch đại đảo dấu
Sơ đồ khuếch đại đảo đợc vẽ trên hình 4.2
-
+
Đầu vào
Đầu ra

Đầu ra
Đầu vào
Z
V
Z
r
K
+
-
-
+
Hình 4.1 Kí hiệu và sơ đồ thay thế KĐTT
Z
1
Z
2
Z
3
Z
V
Z
0
Z
t
u
1
i
2
i
1

i
V
i
t
u
V
u
0
u
2
u
3
i
0
Hình 4.2 Mạch khuếch đại đảo
(4.1)
(4.2)








+

++








++
=
VV
3
1V
3
22
11
Z
1
Z
Z
1
Z
1
Z
Z

1
Z
1
K
B
Z
1
1
.
Z
1
u
u
2
)
Z
Z
1(
Z.A
1
Z
1
Z
1
Z
1
Z
1
B
V

3
20
0t2
+
++
=
Từ sơ đồ thay thế hình 41.2 ta có các phơng trình cơ bản nh sau:
i
1
+ i
2
- i
V
= 0
i
1
=(u
1
- u
V
-

u
3
)/Z
1
i
2
=(u
2

- u
V
-

u
3
)/Z
2
i
V
= u
V
/i
V
Đối với đầu ra ta có
u
o
= -A u
V

i
0
= i
2
+ i
t
i
t
= u
2

/ Z
t
i
0
= (u
0
- u
2
)/ Z
R
Giải hai phơng trình (4.1), (4.2) ta có:
Giả thiết gần đúng Z
0
= 0, Z
0
< Z
t
, Z
0
< Z
2
và A ta có:
K
KĐ
= u
2
/u
1
= -Z
2

/Z
1
2. Khuếch đại không đảo
i
0
i
t
Z
t
u
V
Z
1
i
1
i
V
Z
2
i
2
i
3
i
4
Z
3
Z
4
Z

0
u
1
u
2
Hình 4.3 Mạch khuếch đại không đảo
B»ng c¸ch gi¶i t¬ng tù nh trªn chóng ta cã:
K
K§
= u
2
/u
1
= (Z
4
/(Z
3
+Z
4
)].[(Z
1
+ Z
2
)/Z
1
]
3. KhuÕch ®¹i vi sai
S¬ ®å m¹ch khuÕh ®¹i vi sai vÏ trªn h×nh 4.4.
TÝn hiÖu ra ®îc tÝnh:
4.1.5. C¸c m¹ch c¬ b¶n cña K§TT

- Bé céng tÝn hiÖu.
Trªn h×nh 42.1 giíi thiÖu mét s¬ ®å nguyªn lÝ bé céng tÝn hiÖu
B1
43
4
1
21
A1
1
2
2
u.
ZZ
Z
.
Z
ZZ
u.
Z
Z
u
+
+
+−=
i
0
i
t
Z
t

u
V
Z
1
i
1
i
V
Z
2
i
2
i
3
i
4
Z
3
Z
4
Z
0
u
1A
u
1B
u
2
H×nh 4.4 M¹ch khuÕch ®¹i vi sai
-

+
U
1
U
2
U
n
R
1
R
2
R
n
R
ht
U
R
Hình 42.1 Sơ đồ nguyên lí mạch cộng tín hiệu








+++=
n
n
2

2
1
1
htR
R
U

R
U
R
U
Ru
Điện áp ra của bộ công này đợc tính:
Nếu chọn R
1
= R
2
= R
n
= R
ht
, ta có điện áp ra là tổng các điện áp vào
U
2
= - (U
11
+ U
12
+ U
1n

)
- Mạch cộng không đảo
Sơ đồ mạch cộng không đảo cho trên
hình ckđ. Điện áp đầu ra của bộ cộng này
đợc tính:








+++
+++
+
=
n
n
2
2
1
1
n21
0
ht0
R
R
U

R
U
R
U
.
R
1

R
1
R
1
1
.
R
RR
u
Nếu chọn R
1
= R
2
= = R
n
= R thì

=
+
=
n
1i

i
0
ht0
R
U
R.n
RR
U
- Mạch trừ
Sơ đồ mạch trừ đợc vẽ trên hình mt
Điện áp ra đợc tính:
( )
( )
1
1
ht
2
321
ht13
R
U
R
R
U
RRR
RRR
U
+
+
=

- Mạch tích phân.
Mạch tích phân là một mạng bốn cực (hình tpa), trong đó tín hiệu ra tỉ
lệ với tích phân tín hiệu vào

=
t
0
VR
dtUU
-
+
U
1
U
2
U
n
R
1
R
2
R
n
R
ht
R
0
U
R
-

+
U
1
U
2
R
1
R
2
R
ht
R
3
U
R
Hình mt. Sơ đồ mạch trừ
Mạch
tích phân
U
V
U
R
a)
-
+
R
C
U
R
U

V
b)
Ngời ta có thế dùng KĐTT để làm
mạch tích phân nh trên hình tpb. Điện áp ra
trong trờng hợp này đợc tính:

==
t
0
V
t
0
VR
dtU
T
1
dtU
RC
1
U
Khi muốn cộng hoặc trừ các tích
phân, ngời ta dùng mạch tích phân tổng và
tích phân hiệu nh trên hình tp2. Các tích
phân tổng và hiệu cho ta đầu ra:
Với mạch tích phân tổng:

+++=
t
0
n
n
2
2
1
1
R
dt
R
U

R
U
R
U
U
Với mạch tích phân hiệu:
( )

=
t
0
12R

dtUU
RC
1
U
- Mạch vi phân
Mạch vi phân là một mạng bốn cực (hình vp1a), trong đó tín hiệu ra tỉ lệ
với vi phân tín hiệu vào
dt
dU
kU
V
R
=
Sơ đố mạch vi phân dùng KĐTT đợc vẽ trên hình vp1b. Tín hiệu ra của
mạch tích phân đợc tính:
dt
dU
T
dt
dU
RCU
VV
R
==
- Mạch tạo xung chữ nhật.
Tạo điện áp dạng xung chữ nhật và sóng tam giác rất thờng gặp trong
các mạch điều khiển tự động. Hình xcn1 giới thiệu một số mạch dạng này.
Điện áp sóng vuông và tam giác cân có thể đợc tạo bởi một dao động
đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) nh hình xcn1 a
Hình tp. Mạch tích phân; a. sơ đồ khối;

b. mạch tích phân bằng KĐTT
a)
+
A
1
V
+
V
-
R
R
1
R
2
C
b)
+
-
R
1
R
2
R
3
A
1
V
+
V
_

+
-
C
A
2
Hình xcn1 một số mạch tạo xung chữ nhật bằng KĐTT
Mạch
vi phân
U
V
U
R
a)
-
+
R
C
U
R
U
V
b)
Hình vp1. Mạch vi phân; a. sơ đồ khối;
b. mạch vi phân bằng KĐTT
T
f
1
=
Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT A có hai đờng hồi tiếp. Hồi tiếp âm
về V

-
bằng mạch RC, hồi tiếp dơng về V
+
bằng mạch chia áp R
1
, R
2
. Hoạt
động của sơ đồ hình xcn1 a có thể giải thích nh sau:
Giả sử điện áp ra của A
1
đang dơng nhờ hồi tiếp dơng mà điện áp ra
bằng U
cc
và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số:

21
2
CC
V
RR
R
UU
+
=
+

Điện áp vào cổng "-" là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi
V
+

= V
-
, tại t
1
đầu ra lật trạng thái từ dơng xuống âm, điện áp V
+
đổi dấu từ
dơng xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ.
Chu kì dao động của mạch đợc xác định:
Tần số xung:
Trờng hợp đặc biệt R
1
= 2R
2
= R ta có:
T = 2.R.C.ln 2 = 2.R.C.0,69
R
1
= R
2
= R T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,1 = 2,2. R.C
Tạo sóng vuông và tam giác bằng tích phân sóng vuông.
Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận đợc từ bộ tích phân xung
vuông nh hình xcn1b. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau.
Tích phân xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. Nếu điện áp vào khâu tích
phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể.
Điện áp tựa trên hình xcn1b mang tính phi tuyến cao. Điện áp tựa có thể
nhận đợc tuyến tính hơn nếu sử dụng sơ đồ hình xcnb. Khuếch đại A
1
có hồi

tiếp dơng bằng điện trở R
1
, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc
hiệu điện áp hai cổng V
+
, V
-
.
Đầu vào V
+
có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A
1
,
một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A
2
. Điện áp chuẩn so sánh để quyết
định đổi dấu điện áp ra của A
1
là trung tính vào V
-
. Giả sử đầu ra của A
1
d-
ơng U
A1
> 0, khuếch đại A
2
tích phân đảo dấu cho điện áp có sờn đi xuống
của điện áp tựa. Điện áp vào V
+

lấy từ R
1
và R
2
, hai điện áp này trái dấu








+=
2
1
.2
1ln 2
R
R
CRT
1
2
3
4
1
R
R
CR
f =

nhau. Điện áp vào qua R
2
biến thiên theo đờng nạp tụ, còn điện áp vào qua
R
1
không đổi, tới khi nào U
V+
= 0 đầu ra của A
1
đổi dấu thành âm. Chu kì
điện áp ra của A
1
cứ luân phiên đổi dấu nh vậy cho ta điện áp ra sóng vuông
tại đầu ra A
1
và tam giác cân tại đầu ra A
2
.
Tần số của điện áp tựa đợc tính:
Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có đợc điện áp tựa có tần
số nh mong muốn.
4.1.4. Một số sơ đồ mạch phụ khác
Mạch bảo vệ
Có ba loại mạch bảo vệ thờng đợc mắc vào mạch KĐTT nh vẽ trên hình
4.5.
Bảo vệ đầu vào dùng hai điốt mắc ở hai đầu vào.
Bảo vệ mắc sai nguồn dùng hai điốt mắc ở hai đầu nguồn cấp.
Bảo vệ quá tải nối điện trở đầu ra.
Mạch bù độ mất đối xứng điện áp
Phần lớn các loại KĐTT đợc cấp bởi hai nguồn đối xứng. Trờng hợp

nguồn bị mất đối xứng có thể gây sai số trong mạch, do đó ngời ta dùng
mạch bù độ mất đối xứng điện áp hình 41.6 nhằm giảm thiểu những sai sót
không đáng có,
Mạch bù tần số hình 41.7
4.2 Các bộ điều chỉnh.
Nhiệm vụ các bộ điều chỉnh:
-
+
Hình 41.7 Mạch bù mất đối xứng điện áp
-
+
Hình 4.5 Mạch bảo vệ KĐTT
(2.24)
Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ.
Tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lợng tĩnh và động.
1. Điều chỉnh tỉ lệ
K
R
R
U
U
UU
U
)p(F
1
22
1d
2
==

=

=
2. Hàm chức năng
sơ đồ hình 43.2 có các quan hệ:
I
đ
+ I
2
+ I
1
= I
V
~ 0
I
đ
= Y
đ
(p).U
đ

I
2
= Y
ht
(p).U
2

I
1

= Y
1
(p).U
1

Y
đ
(p).U
đ
+ Y
ht
(p).U
2
+ Y
1
(p).U
1
= 0
( )
( )
( )
( )

=
1
d
1
d
ht
d
2
U.
pY
pY
U
pY
pY
U
(43.1)
Hai điện áp U
đ
và U
1
trái dấu.
Bộ điều chỉnh tích phân
-
+
U
U
2
= K.U
-
+

Y
đ
(p)
Y
1
(p)
Y
ht
(p)
U
đ
U
1
U
2
I
đ
I
2
I
V
I
1
-
+
R
C
Y
X
U

2
t
Thay vào biểu thức 43.1với giá trị U
đ
= U
V
; U
1
= 0 ta có:
( )
( )
V
ht
V
2
U
pY
pY
U =
Từ đó ta có hàm truyền
Hàm truyền của khâu tích phân tỉ lệ.
Thay vào biểu thức 43.1 với
R
1
)p(Y
V
=
1p.CR
p.C
p.C

1
R
1
Y
2
2
ht
+
=
+
=
ta có:
Tp
1Tp
.K
p.CR
1p.CR
.
R
R
U
U
2
2
1
2
V
2
+
=

+
=
Dới đây giới thiệu hàm truyền một số khâu hiệu chỉnh điển hình
Hàm truyền một số khâu hiệu chỉnh
C.R
1
K;X.
p
K
Y ==
-
+
R
C
Y
X
( )
C.RT;
R
R
K;X.
Tp1
K
Y
2
1
2
==
+
=

-
+
R
C
Y
X
R
C.R
1
K;X.
p
K
Y ==
-
+
R
1
C
U
2
U
V
R
2
U
2
t
( )
C.RT;
C.R

1
K;X.
X
Tp1.K
Y
1
1
==
+
−=
-
+
R
C
Y
X
R
C.RK;X.p.KY =−=
-
+
R
C
Y
X
( )
C.RT;
R
R
K;X.Tp1.KY
1

1
2
==+−=
-
+
C
Y
X
R
2
R
1
( )
C.RT;C.RK;X.
Tp1
Kp
Y
12
==
+
−=
-
+
C
Y
X
R
2
R
1

-
+
( )
22211
1
2
2
1
C.RT;C.RT;
R
R
K
;X.
pT1
p.T1
KY
===
+
+
−=
C
2
C
Y
X
R
2
R
1
-

+
( )( )
2221112
21
1
C.RT;C.RT;C.RK
;X.
pT1pT1
p.T1
KY
===
++
+
−=
C
2
C
Y
X
R
2
R
1
-
+
( ) ( )
222
11
1
2

21
1
C.RT;
2
C.R
T;
R.2
R
K
;X.
pT1.pT1
p.T1
KY
===
++
+
−=
C
C
2
Y
X
R
2
R
1
R
1
-
+

( )
;C.RT;
C.R.2
R
K;X.
p.pT1
K
Y
11
1
2
2
==
+
−=
C
2
C
Y
X
R
1
R
1
Hµm truyÒn mét sè kh©u hiÖu chØnh
TT Kh©u
hiÖu
chØnh
S¬ ®å Hµm truyÒn
1

C.R
1
K;X.
p
K
Y =−=
2

( )
C.RT;
R
R
K
;X.
Tp1
K
Y
2
1
2
==
+
−=
-
+
-
+
( )
( ) ( )

33311211
1
3
32
1
C.RT;C.R.2T;C.RT;
R.2
R
K
;X.
pT1.pT1
p.T1.K
KY
====
++
+
−=
C
1
C
2
C
2
Y
X
R
2
R
2
R

1
R
1
-
+
R
C
Y
X
-
+
R
1
C
Y
X
R
2
3

( )
C.RT;
C.R
1
K
;X.
X
Tp1.K
Y
1

1
==
+
−=
4
C.RK;X.p.KY =−=
5
6
7

( )
22211
1
2
2
1
C.RT;C.RT;
R
R
K
;X.
pT1
p.T1
KY
===
+
+
−=
8
( )( )

2221112
21
C.RT;C.RT;R.RK
;X.
pT1pT1
1
KY
===
++
−=
-
+
R
1
C
Y
X
R
2
-
+
R
C
Y
X
( )
C.RT;
R
R
K

;X.Tp1.KY
1
1
2
==
+−=
-
+
C
Y
X
R
2
R
1
( )
CRTCRK
X
Tp
Kp
Y
.;.
;.
1
12
==
+
−=
-
+

C
Y
X
R
2
R
1
-
+
C
2
C
1
Y
X
R
2
R
1
-
+
C
2
C
Y
X
R
2
R
1

-
+
C
1
C
2
Y
X
R
2
R
1
R
1
9
( ) ( )
222
11
1
2
21
C.RT;
2
C.R
T;
R.2
R
K
;X.
pT1.pT1

1
KY
===
++
−=
10
11
( )
( ) ( )
333112
11
1
3
32
1
C.RT;C.R.2T
;C.RT;
R.2
R
K
;X.
pT1.pT1
p.T1.K
KY
==
==
++
+
−=
12

M¹ch PID
S¬ ®å khèi tæng qu¸t cña c¸c kh©u hiÖu chØnh PID
P
I
D
U
V
U
V
( )
.C.RT;
C.R.2
R
K
;X.
p.pT1
K
Y
11
1
2
2
==
+
−=
-
+
C
2
C

1
Y
X
R
1
R
1
-
+
C
1
C
3
C
2
Y
X
R
3
R
2
R
1
R
1
TÝn hiÖu ®Çu ra ®îc tÝnh
∫
++=
dt
dU

KdtUKUKU
V
DVIVpra
Hµm truyÒn ®îc viÕt:
( ) ( )
pUp.K
p
K
KpU
VD
I
pra








++=
( )
( )









++
=
p
Kp.KpK
pU
pU
ip
2
D
V
ra
ViÕt l¹i biÓu thøc hµm truyÒn
( )
I
I
p
2
I
D
1
2
2
1
K
1
K
K
A
K

K
A
p
1p.ApA
pW
=τ
=
=
τ
++
=
S¬ ®å vÝ dô
D
-
+
-
+
-
+
-
+
R
4
C
2
U
V
R
3
C

1
I
R
1
P
R
2
R
5
R
6
R
7
R
8
U
ra
4.3. Mạch phi tuyến dùng KĐTT
Các khâu phi tuyến dùng đẻ giới hạn vùng tác động của một số thông số
trong mạch điều khiển tự động rất thờng dùng. Ví dụ cần giới hạn dòng điện
khi khởi động động cơ. Chúng có thể đợc dùng để tạo hàm phi tuyến. Những
hàm phi tuyến này đợc tạo bằng việc tuyến tính hóa từng đoạn đặc tính theo
nguyên tắc:
( )

=
++=
n
1i
i0i0

xxbaxyy
(pt - 1)
Trong đó: b
i
= 0 khi x x
0i
;
b
i
= const khi x> x
0i
.
Ví dụ có một đờng cong phi tuyến trên hình pt1, nó có thể đợc tuyến
tính hóa thành bốn đoạn. Tín hiệu vật lí x, y đợc đổi thành tín hiệu điện U
x
,
U
y
. Phơng trình đờng cong tuyến tính hóa có thể viết:

( )

=
++=
3
1i
i0xix00y
UUkUkUU
(pt - 2)
Trong đó: k

i
= 0 khi U
x
U
xi
;
k
i
= k
i
khi U
x
> U
xi
Từ phơng trình (pt - 2) thấy rằng đờng cong là tổng của 5 điện áp. Sơ đồ
mạch thực hiện biểu thức trên đợc vẽ trên hình pt2. Số hạng thứ nhất của biểu
thức (pt - 2) là U
0
có một giá trị ra U
0
khi giá trị vào U
x
= 0 vào. Số hạng thứ
hai là một tín hiệu điện áp biến thiên tuyến tính, chừng nào điện áp vào còn
nhỏ hơn U
x1
đầu ra còn biến thiên tuyến tính. Khi đầu vào lớn hơn U
x1
đờng
cong thành phi tuyến, sau khi tuyến tính hóa, có thành phần là số hạng thứ 3,

nó tỷ lệ với hiệu U
x
- U
x1
với hệ số khuếch đại k
1
. Nếu không có số hạng này
trong đoạn U
x1
U
x2
tín hiệu ra biến thiên theo đờng thẳng nối dài nét đứt
(hình pt1). Khi tín hiệu vào lớn hơn U
x2
xuất hiện thêm số hạng thứ 4 tỷ lệ
với hiệu U
x
U
x2
. Tín hiệu vào tiếp tục tăng khâu phi tuyến thứ ba hoạt
động tỷ lệ với U
x
U
x3
.
Nh vậy tổng 5 (hình pt2) có năm đầu vào mỗi đầu vào đợc tạo hàm một
đoạn đặc tính tơng ứng với tín hiệu đầu vào.
U
y

U
0
U
x
1
2
3
4
5
Hình pt1. Tuyến tính hóa đ ờng cong phi
tuyến
Hình pt2. Sơ đồ khối mạch tuyến tính
hóa đ ờng cong phi tuyến
Díi ®©y giíi tiÖu mét sè m¹ch t¹o hµm phi tuyÕn ë trªn.
U
R
U
V
U
ng
R
1
-
+
U
R
U
V
U
ng

R
2
R
0
U
V
-U
N
U
ng
U
R
R
1
R
2
VR
1
VR
2
U
R
U
V
U
ng
-
+
D
R

U
V
-U
N
U
ng
U
R
R
1
R
2
VR
1
VR
2
R
U
ng
R
0
-
+
U
R
D
R
0
U
V

-U
N
R
1
R
2
VR
1
VR
2
U
R
U
V
U
R
U
V
D
U
V
-U
N
U
ng
R
1
R
2
VR

1
VR
2
-
+
R
U
R
R
R
R
-
+
H×nh pt3 M¹ch t¹o ®Æc tÝnh phi tuyÕn
a)
b)
c)
d)
Mạch tạo đặc tính phi tuyến hình pt3a cho đặc tính với điện áp ra chỉ có
khi điện áp vào trên ngỡng. Thờng trong mạch này chọn R
1
= R
2
điện áp ra
sẽ có khi điện áp anod của diod D lớn hơn U
ng
. Nếu U
A
< U
ng

diod khóa. Độ
ngiêng của đặc tính ra phụ thuộc việc điều chỉnh biến trở VR
2
(hệ số k
i
). Đặc
tính này cũng có thể đợc tạo bởi mạch KĐTT (hình pt3a). Các mạch hình pt3
cho ta đặc tính nằm ở góc phần t thứ nhất. Muốn có các đặc tính nằm ở các
góc phần t thứ hai, ba t chỉ cần thêm các khâu đảo dấu vào hay ra, nh chỉ ra
trên hình pt3b, c, d.
Tạo vùng không tác động
Đối với các hệ thống tự động thờng phải chỉnh định những vùng không
tác động. Hình pt4 vẽ mạch tạo vùng không tác động của tín hiệu vào. Khi
tín hiệu vào dơng, D
1
sẽ

dẫn, điện áp ra còn bằng 0 khi điện áp vào nhỏ hơn
điện áp anod của D
1
(đợc chỉnh bởi VR
1
). Độ dốc của đờng đạc tính phụ
thuộc hệ số khuếch đại của KĐTT

1
0
R
R
. Diod D
2
dẫn theo chiều âm điện áp
vào. Sơ đồ này ccho phép hiệu chỉnh vùng không tác động đối xứng hay
không đối xứng. Tuy nhiên độ nghiêng đặc tính không đổi.
Tạo đặc tính bão hòa
Để tạo đặc tính bão hòa dùng sơ đồ hình pt5a, b. Các biến trởVR
1
, VR
2
đặt điện áp khóa cho các diod D
1
, D
2
. Nếu điện áp ra của KĐTT còn nhỏ hơn
điện áp chỉnh định của các diod sơ đồ làm việc với khuếch đại tuyến tính.
Nếu điện áp ra KĐTT dơng và vợt quá ngỡng chỉnh của VR
1
diod D
1
dẫn,
hình thành mạch nối tắt R
0
. Diện áp ra giữ điện áp bằng điện áp đã chỉnh của

VR
1
. Điện áp vào tiếp tục tăng lên, điện áp ra giữ nguyên không đổi (mh
hinbhf pt5c). Cách giải thích tơng tự cho trờng hợp điện áp ra âm.
Cách tạo đặc tính nh trên có thể thực hiện đợc bằng diod ổn áp nh trên
hình pt5b.
-
+
D
1
R
0
-U
N
U
R
VR
1
VR
2
R
1
+U
N
U
V
D
2
U
R

U
V
Hình pt4 Tạo vùng không hoạt động
a)
b)
U
R
VR
1
VR
2
R
0
-U
N
+U
N
-
+
R
1
U
V
-
+
R
1
U
V
R

0
D
O
U
R
U
R
U
V
Hình pt5 Tạo vùng bão hòa
a)
b)
c)
Tạo đặc tính rơle
Nếu tăng R
0
trong mạch hình pt5a, b lên chnhs ta sẽ có mạch tạo
đặc tính rơ le nh trên hình pt6.
4.4. Các bộ cảm biến.
Bộ cảm biến là linh kiện dùng để phát hiện hoặc đánh giá đại lợng vật lí
và gửi đến bộ điều khiển để xử lí, khai thác tín hiệu đó.
VR
1
VR
2
-U
N
+U
N
-

+
R
1
U
V
U
R
U
V
Hình pt6 Tạo đặc tính rơle
a)
b)
4.4.1. Cảm biến vị trí
1. Công tắc vị trí
Công tắc vị trí thờng đợc sử dụng các bộ cảm biến cơ điện có chức
năng cung cấp thông tin về điện (0 hoặc 1)ở mỗi lần tác động.
Có nhiều loại công tắc vị trí (hình 433.1), tùy theo yêu cầu đặt ra khi sử
dung chúng (kích thớc, nguồn gốc chuyển động ) cũng nh điều kiện sử
dụng chúng mà ngời ta có thể chọn loại nào cho phù hợp.
2. Cảm biến tiệm cận
Các bộ cảm biến tiệm cận rất phổ biến vì nó có nhiều ứng dụng, mỗi
khi cần phát hiện mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tợng cần phát hiện.
Các bộ phát hiện tiệm cận này cho tín hiệu (0 và 1) khi phát hiện đối tợng.
Cảm biến tiệm cận điện cảm
Trong vùng khoảng cách ngắn cảm biến tiệm cạnn loại điện cảm thờng
đợc dùng. Cấu tạo của loại cảm biến này bao gồm một cuộn dây xác định độ
cảm ứng của một bộ dao động LC (hình đc1.a). Điện từ trờng của bộ dao
động lan rộng một vùng xung quang nó. Khi một vật bằng kim loại đến gần,
năng lợng của bộ dao động bị tiêu hao để tạo nên dòng xoáy đợc cảm ứng
(hình đc1.b) bên trong vật dẫn điện này. Do đó hệ số tiêu hao của cuộn dây

tăng lên, đến một trị số nào đó bộ dao động không dao động đợc nữa. Tín
hiệu này đợc ghi nhận nh trên hình đc1c.


Điều khiển trực tiếp
Điều khiển bằng đòn
bẩy và rãnh nghiêng
Điều khiển bằng đòn
bẩy và cam
Nút nhấn kim loại
Tay đòn chiếu thẳng đứng
Tay đòn chiều dài thay đổi
Tay đòn có ống
Cần gạt lò xo
Tấm nhựa chịu nhiệt
Điện cảm
Mạch dao
động
Từ tr ờng
Đối t ợng
Hình đc1. Cảm biến tiệm cận điện cảm; a. Nguyên lí hoạt
động; b. sơ đồ cấu trúc; c. Mức cảm biến.
a)
b)
c)
Trên hình đc2 giới thiệu một mạch điện của cảm biến tiệm cận loại tự
cảm OM 286 với công nghệ màng dày của công ti Valvo. thông số của mạch:
Điện áp nguồn cấp: 4,5 - 30 V
Dòng tải cực đại 250mA
Dòng tải tĩnh 7 mA

Tần số đóng cắt: 5 kHz
Cấu trúc của cảm biến điện cảm
W
1
W
2
R
X
D
1
R
1
R
2
R
3
R
4
R
8
R
5
R
9
R
7
R
6
T
1

T
2
T
3
T
4
D
2
C
1
C
2
1
3
4
2
7
6
5
OM 286
U
CC
Hình đc2. Sơ đồ mạch điện cảm biến tiệm cân OM 286
Cấu trúc đơn giản của một cảm biến điện cảm dùng để tính khoảng
cách, đo góc là một cuộn dây với lõi sắt dịch chuyển (hình đc3). Với cảm
biến này, độ tự cảm L là đại lợng điện cần đo. Nó tỉ lệ với bình phơng của số
vòng dây và tỉ lệ nghịch với từ trở của cuộn dây.
m
2
R

W
L =

Trong hình đc3 các đờng sức đi qua trong ba vùng đặc trng bằng các
thông số (chiều dài - S, diện tích - A), trong sắt (S
Fe
, A
Fe
), trong không khí
bên trong cuộn dây (S, A) và trong vùng bên ngoài cuộn dây (S
a
, A
a
). Từ trở
của cuộn dây lúc đó đợc tính:
a0
a
0FeFe0
Fe
m
A
S
A
S
A
S
R
à
+
à

+
àà
=
Trong công thức trên độ từ thẩm à
Fe
của sắt rất lớn (khoảng 10
3
ữ 10
4
)
cho nên phần từ trở trong sắt coi nh không đáng kể. Số hạng thứ ba trong
công thức trên cũng có thể bỏ qua vì diện tích A
a
ngoài không khí cũng có
thể coi là rất lớn. Ngời ta có thể bọc cuộn dây bằng một vỏ sắt mềm và nh
vậy hầu nh tất cả đờng sức đều chạy vào đó với từ trở coi nh không đáng kể.
Nh vậy, từ trở cuộn dây lúc này chủ yếu chỉ đợc coi là của đoạn không lõi
sắt:
A
S
R
0
m
à
=
Khi đó độ tự cảm có thể đợc tính:
S
k
S
AW

L
2
0
=
à
=
Từ công thức trên thấy rằng độ tự cảm sẽ càng lớn khi lõi sắt đợc cho
nằm càng sâu bên trong cuộn dây. Trên hình đc4 cho ta quan hệ giữa L và S
là một đờng hyperbol. L tỉ lệ nghịch với khoảng cách không lõi sắt bên trong
cuộn dây
S
1
2
L
S
Cảm biến điện cảm với lõi sắt chìm vi sai
Cảm biến gồm hai cuộn dây cách biệt. Mộtlõi sắt đợc đặt nằm bên trong
hai cuộn dây. Khi lõi sắt dịch chuyển, tợ cảm của cuộn dây thy đổi (một
cuộn giảm một cuộn tăng). Với cấu trúc đối xứng đồng trục, cảm biến này đ-
ợc dùng để đo khoảng cách. Với cấu trúc vành khăn và xoay đợc nó đợc
dùng để đo góc.
Để đo đợc khoảng cách, cả hai cuộn dây đợc đặt trong một cầu đo. Khi
đó:
SS
k
LX
0
11

==
;
SS
k
LX
0
22
+

==
Điện áp trên cầu đo đo đợc
S
S2
U
SS
k
SS
k
SS
k
SS
k
2
U
U
0
0
00
00
0

d
=


+
+




+

=
Cảm biến điện cảm đo khoảng cách ngắn
Trong hình đc6 giới thiệu cảm biến điện cảm để đo khoảng cách ngắn.
Từ trờng đợc khép kín bởi một thanh chữ I. Các đờng sức từ trờng đi qua hai
lần khoảng cách S và lõi cuộn dây. Với A là diện tích mặt cắt ngang của lõi ta
có từ trở:
A
S2
A
S
R
0FeFe0
Fe
m
à
+
àà
=

Số hạng thử nhất của biểu thức có thể coi không đáng kể vì à
Fe
có trị số
lớn. Với
m
2
R
W
L =
là tự cảm của cuộn dây với thanh chử I ta có:
S2
AW
L
2
0
à
=
L tỉ lệ nghịch với khe hở không khí.
Hình đc4 sự phụ thuộc độ tự cảm vào khoảng
cách S
0
i
X
X
0
2
X
X
0
1

X
X

12
12
XX
XX
+

0
0
S
X
2
X
1
S
L
S
S
L
1
2
3
Hình đc6. Tự cảm L phục thuộc khoảng
cách S của thanh nằm ngang. 1 - Ferrit, 2 -
sắt non, 3 - đồng
Trong thực tế đờng biểu diễn L(S) chỉ là gần đúng theo biểu thức trên
do sự phân tán của các đờng sức từ trờng qua hai khe hở không khí. Từ trờng
thanh ngang không phải là sắt từ mà là một vật liệu dẫn điện (ví dụ nh đồng)

các dòng điện xoáy trong thanh ngang sẽ cho một từ trờng đối nghịch làm
suy yếu từ trờng cuộn dây. tự cảm đi qua khe hở không khí sẽ nhỏ dần. Trờng
hợp thanh ngang là Ferrit có độ dẫn điện kém và độ từ thẩm cao khiến cho
độ tự cảm L tăng nhanh khi khoảng cách giảm.
Cảm biến tiệm cận điện dung
Nguyên tắc hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung dựa trên sự
thay đổi điện dung khi khoảng cách của hai bản cực của tụ thay đổi.
Điện dung là tính chất của các chất cách điện có thể tích trữ điện tích.
Khoảng cách giữa hai bản cực ảnh hởng đến khả năng tích trữ điện tích của
một tụ điện. Từ sự thay đổi điện tích này trạng thái đóng hay mở của cảm
biến đợc xác định.
Giống nh cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung cũng gồm 4 phần:
Sensor (bản cực), mạch dao động, mạch ghi nhân tín hiệu, mạch điện đầu ra.
Khi vật đến gần, điện dung của cảm biến thay đổi. Tần số của bộ dao động
LC hay RC thay đổi theo. Mạch điện cho ta tín hiệu về sự thay đổi tần số (tr-
ờng hợp tần số đợc gữi cố định thì biên độ tín hiệu sẽ thay đổi).
Thay đổi điện dung bằng diện tích bản cực
Điện dung của một tụ điện phẳng tỉ lệ với hằng số chân không
0
hằng
số điện môi
r
, diện tích bản cực phẳng A và khoảng cách bản cực s
s
A
C
r0

=
Khi các đại lợng

r
, A và s thay đổi, điện dụng của tụ cũng thay đổi
theo. Cho nên qua phơng pháp đo điện dung chúng ta có thể xác định, đo
đạc đợc các hiệu ứng làm ảnh hởng một hay nhiều trong ba đại lợng trên.
Diện tích hiệu dụng của bản cực có thể thay đổi đợc khi hai bản cực
nằm ở vị trí chênh nhau (hình tđ1a). Khi bản cực có chiều dài l
0
, chiều rộng
b
0
và khoảng cách s
0
ta có điện dung cực đại của tụ:
0
00r0
0
s
lb
C

=
Khi bản cực chỉ phủ lên nhau một chiều dài l, điện dung sẽ giảm xuống
còn:
l
l
C
s
lb
C
0

0
0
0r0
=

=
Nh vây điện dung tỷ lệ với l và đợc dùng để đo khoảng cách.
Các phơng pháp thay đổi điện dung vẽ trên hình tđ1 b,c,d
Hình tđ1 d giới thiệu một loại điên cực đợc phủ chất cách điện nhúng
vào chất lỏng. Điện cực và chất lỏng dẫn điện đợc coi nh một tụ điện với
điện môi là chât cách điện trên bề mặt của lõi điện cực
Thay đổi điện dung bằng thay đổi điện môi
l
a)
b)
c)
điện cực
cách điện
chất
lỏng
d)
Hình tđ1. Một số loại cảm biến điện dung

r1

r2
a
1
a
2

a
0

r1

r2
l
0
l
a
0
Hình tđ2. Cảm biến điện dung thay đổi điện môi
a)
b)