đồ án đo dòng điện xoay chiều sử dụng cảm biến ACS 71220A
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.11 MB, 35 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
ĐỒ ÁN I
Đề tài:
Đo dòng điện xoay chiều, tần số 50Hz, giới hạn đo 5A,
độ chính xác 2 chữ số sau dấu phẩy
Giáo viên hướng dẫn:
1.TS.Nguyễn Thị Lan Hương
2.Trần Nguyên Hanh
Sinh viên thực hiện:
1.Hồ Trọng Đạt
MSSV:20112569
2.Nguyễn Hoàng Thạch
MSSV:20112216
HÀ NỘI, 5-2014
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................................................................3
1.
Lý do chọn đề tài.........................................................................................................................3
2.
Lời cảm ơn đến người hướng dẫn..............................................................................................3
3.
Định hướng nghiên cứu..............................................................................................................4
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................................................5
1.1
Dòng điện xoay chiều..................................................................................................................5
1.2
Biểu thức.....................................................................................................................................5
1.3
Giá trị hiệu dụng..........................................................................................................................6
1.4
Nhiệm vụ đo dòng điện xoay chiều............................................................................................6
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU......................................................................7
2.1
Đo dòng điện...............................................................................................................................7
2.2
Yêu cầu đối với phép đo dòng điện............................................................................................7
2.2.1
Đo dòng điện xoay chiều nhỏ.....................................................................................................8
2.2.2
Đo dòng điện xoay chiều lớn......................................................................................................8
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐO....................................................................................................9
3.1.
Lựa chọn phương pháp đo thiết kế Ampe kế............................................................................9
3.1.1
Ampe kế can thiệp......................................................................................................................9
3.1.2
Ampe kế không can thiệp.........................................................................................................10
3.2.
Tìm hiểu về hiệu ứng HALL (hall effect)...................................................................................10
3.2.1
Hiệu ứng Hall.............................................................................................................................10
3.2.2
Cơ chế........................................................................................................................................11
3.2.3
Ứng dụng...................................................................................................................................12
3.3.
Lựa chọn cảm biến....................................................................................................................14
3.4.
Đặc điểm và lợi ích của cảm biến.............................................................................................14
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG................................................................................................................19
4.1.
Sơ đồ khối của mạch nguyên lý................................................................................................19
4.1.1
Ý tưởng......................................................................................................................................19
4.1.2
Sơ đồ nguyên lý.........................................................................................................................19
4.1.3
Đồ thị dạng dòng điện và điện áp:...........................................................................................20
4.2.
Đặc điểm của các linh kiện trong mạch....................................................................................20
4.2.1
Atmega16..................................................................................................................................20
4.2.2
LCD16x2.....................................................................................................................................21
4.2.3
358N..........................................................................................................................................21
4.2.4
Nguồn 5V...................................................................................................................................22
4.3.
Những hạn chế khi đo dòng điện xoay chiều và hướng phát triển........................................22
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
1
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
4.3.1
Đo dòng điện xoay chiều lớn....................................................................................................22
4.3.2
Xử lý điện áp ra (VOUT) của cảm biến......................................................................................22
4.3.3
Sử dụng nguồn một chiều........................................................................................................23
CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN........................................................................................24
5.1
Lưu đồ khái quát.......................................................................................................................24
5.2
Chương trình lập trình cho chip ATMEGA 16 trên phần mềm Code Vision AVR....................25
5.3
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm..........................................................................................32
CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG SẢN PHẨM CHO CÔNG NGHIỆP.............................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................................34
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
2
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đo lường là việc xác định độ lớn của không chỉ các đại lượng vật lý mà còn có thể
là bất cứ khái niệm gì có thể so sánh được với nhau.
Đo lường cung cấp các chuẩn mực về độ lớn cho giao dịch trong đời sống. Đo
lường nói riêng, hay quan sát và thí nghiệm nói chung, cũng là một bước quan trọng
trong nghiên cứu khoa học (khoa học tự nhiên và khoa học xã hội).
Trong vật lý và công nghệ, đo lường được thực hiện bằng cách so sánh giữa đại
lượng vật lý cần đo với đại lượng vật lý cùng thể loại, nhưng ở những điều kiện tiêu
chuẩn (thường là không thay đổi theo thời gian) gọi là đơn vị đo. Việc đo này đem
lại một con số thể hiện mối liên hệ về độ lớn giữa đại lượng cần đo và đơn vị đo.
Đồng thời, nếu có thể, đo lường cũng cho biết sai số của con số trên (sai số phép
đo).
Đo dòng điện giúp ta có thông tin về giá trị dòng điện một cách tương đối chính xác
để từ đó lựa chọn các thiết bị điện.
Đo dòng điện giúp ta lựa chọn thiết diện dây dẫn đảm bảo an toàn kỹ thuật, giúp
tiết kiệm kinh tế. Đo dòng điện kết hợp với đo điện áp cho ta biết công suất tải cần
đo.
2. Lời cảm ơn đến người hướng dẫn
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời
gian từ khi bắt đầu nghiên cứu đề tài đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Thị Lan Hương và thầy giáo Trần Nguyên
Hanh đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi nói chuyện, thảo luận về việc
hướng dẫn sinh viên hoàn thành Đồ án 1. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy
bảo của cô và thầy thì em nghĩ bài thu hoạch này của chúng em rất khó có thể hoàn
thiện được.
Sự hiểu biết về khoa học, cũng như kinh nghiệm thực tiễn của cô và thầy chính là
tiền đề để chúng em hoàn thành đồ án môn học.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô thầy.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
3
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
3. Định hướng nghiên cứu
Bài thu hoạch được thực hiện trong khoảng thời gian gần một kỳ học tập. Bước đầu
đi vào thực tế, tìm hiểu về lĩnh vực đo lường, kiến thức của chúng em còn hạn chế
và còn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc
chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô
và các bạn học cùng lớp để kiến thức của chúng em được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
4
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1Dòng điện xoay chiều
Là dòng điện có chiều và cường độ biến thiên theo thời gian. Dòng điện xoay chiều
thường được tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều hoặc được biến đổi từ nguồn
điện một chiều bởi một mạch điện tử thường gọi là bộ nghịch lưu dùng các
Thyristor. Trước đây, dòng điện xoay chiều thường được gọi là "dòng Galvanic".
1.2Biểu thức
i=I0 (A)
Trong đó:
• i: giá trị cường độ dòng điện xoay chiều tức thời, đơn vị là (A)
• I0 > 0: giá trị cường độ dòng điện cực đại của dòng điện xoay chiều
• ω, φ: là các hằng số.
• ω > 0 là tần số góc
• (ωt + φ) : pha tại thời điểm t
• φ : Pha ban đầu của dòng điện
đồ thị và các đại lượng đặc trưng:
● Chu kì: T (s)
● Tần số: f (Hz)
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
5
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
1.3 Giá trị hiệu dụng
I
Trong đó:
I: giá trị dòng hiệu dụng
I0: giá trị dòng đỉnh
1.4 Nhiệm vụ đo dòng điện xoay chiều
Việc đo dòng điện giúp ta có thông tin về giá trị dòng điện một cách tương đối
chính xác để từ đó lựa chọn các thiết bị điện như: cầu chì, cầu dao, aptomat,….đúng
với các giá trị định mức dòng điện mà các thiết bị điện hoạt động một cách ổn định
và đảm bảo tuổi thọ cao cho thiết bị.
Đo dòng điện giúp ta lựa chọn thiết diện dây dẫn đảm bảo an toàn kỹ thuật, giúp
tiết kiệm kinh tế.
Đo dòng điện kết hợp với đo điện áp cho ta biết công suất tải cần đo.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
6
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
2.1 Đo dòng điện
Trong các đại lượng điện thì dòng điện là 1 trong những đại lượng cơ bản nhất. Vì
vậy, trong công nghiệp cũng như trong các công trình nghiên cứu khoa học người ta
quan tâm đến các phương pháp và các thiết bị đo dòng điện.
Có thể đo dòng điện bằng các phương pháp trực tiếp, gián tiếp và so sánh (phương
pháp bù).
Trong phương pháp đo trực tiếp, người ta dùng được các dụng cụ đo dòng điện như
Ampemet, Miliampemet, Microampemet,v.v…để đo dòng và trực tiếp đọc kết quả
trên thang chia độ dụng cụ đo.
Trong phương pháp đo gián tiếp, người ta có thể dùng vônmet đo điện áp rơi trên
một điện trở mẫu (mắc trong mạch có dòng điện cần đo chạy qua); thông qua tính
toán ta sẽ được giá trị dòng điện cần đo.
Trong phương pháp so sánh, người ta đo dòng điện bằng cách so sánh dòng cần đo
với dòng điện mẫu, chính xác. Ở trạng thái cân bằng của dòng cần đo và dòng mẫu,
sẽ đọc kết quả trên mẫu. Có thể so sánh trực tiếp và so sánh gián tiếp.
Trong đề tài nghiên cứu này chúng em đã hướng nghiên cứu theo phương pháp đo
trực tiếp, tức là thiết kế mạch đo có sử dụng cảm biến, sau khi qua các khâu xử lý
tín hiệu tương tự. Đưa tín hiệu tượng tự vào ADC của vi điều khiển, ta sẽ tính toán
xử lý tín hiệu, chuyển sang tín hiệu số và gửi ra LCD hiển thị kết quả.
2.2 Yêu cầu đối với phép đo dòng điện
Khi đo dòng điện, ta mắc nối tiếp Ampemet với mạch cần đo. Ampemet này lấy
một phần năng lượng của mạch đo, gây sai số phương pháp cho phép đo dòng. Phần
năng lượng này còn gọi là công suất tiêu thụ của Ampemet, được tính: P A=I2A.RA
Trong phép đo dòng điện yêu cầu công suất tiêu thụ PA càng nhỏ càng tốt. Tức là
yêu cầu RA càng nhỏ càng tốt (khi ta chọn cảm biến ACS 712 có điện trở trong chỉ
1.2mΩ rất bé nên rất phù hợp).
Khi đo dòng điện xoay chiều, điện trở của Ampemet còn chịu ảnh hưởng của tần số
(Xl=ɷ.L ; thành phần kháng trở của cuộn dây). Để đảm bảo cấp chính xác của
dụng cụ đo dòng xoay chiều ở miền tần số sử dụng nhất định. Nếu sử dụng các dụng
cụ đo dòng ở miền tần số khác miền tần số thiết kế, sẽ gây sai số do tần số.
Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta dùng các Ampemet điện
từ, điện động và sắt điện động.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
7
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
2.2.1
Đo dòng điện xoay chiều nhỏ
Đo dòng điện nhỏ thường Ix cỡ 10-5A: 10-10A. Để đo được dòng này cần phải có các
thiết bị có độ nhạy cao. Hiện nay việc nâng cao độ nhạy, hạ thấp ngưỡng nhạy và
khuếch đại ổn định, chính xác cao cũng còn gặp nhiều khó khăn. Các dụng cụ đo
dòng nhỏ thường gặp như điện kế cơ điện, điện lượng mét, các dụng cụ điện tử mà
thành phần cơ bản là bộ khuếch đại kết hợp với chỉ thị cơ điện (từ điện).
2.2.2
Đo dòng điện xoay chiều lớn
Đo dòng xoay chiều lớn bằng phương pháp kết hợp biến dòng xoay chiều với
Ampemet hoặc dùng biến trở công suất.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
8
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐO
3.1.
Lựa chọn phương pháp đo thiết kế Ampe kế
Tìm hiểu về các loại Ampe kế trên thị trường để từ đó đưa ra những nhận xét tổng
quan về các Ampe kế này rồi có hướng đi riêng.
Các loại Ampe kế theo thống kê:
3.1.1 Ampe kế can thiệp
a) Ampe kế khung quay
Là một bộ chuyển đổi từ cường độ dòng điện sang chuyển động quay, trong một
cung, của một cuộn dây nằm trong từ trường.
Cuộn dây được gắn cùng một đĩa kim loại nằm trong từ trường của nam châm. Mọi
dao động của cuộn dây và đĩa sinh ra dòng Foucault trong đĩa. Dòng này làm nóng
đĩa lên, tiêu hao năng lượng dao động và dập tắt dao động.
Nhược điểm: Cuộn dây đó chỉ chịu được dòng điện yếu, nếu không cuộn dây sẽ bị
cháy. Việc đọc kết quả do kim chỉ trên thước có thể sai sót nếu nhìn lệch.
b) Ampe kế sắt từ
Ampe kế sắt từ cấu tạo từ hai thanh sắt non nằm bên trong một ống dây. Một thanh
được cố định còn thanh kia gắn trên trục quay, và gắn với kim chỉ góc quay trên một
thước hình cung. Khi cho dòng điện qua ống dây, dòng điện sinh ra một từ
trường trong ống.
Từ trường này gây nên cảm ứng sắt từ trên hai thanh sắt, biến chúng thành các nam
châm cùng chiều. Hai nam châm cùng chiều luôn đẩy nhau, không phụ thuộc vào
chiều dòng điện qua ống dây. Vì lực đẩy này, thanh nam châm di động quay và góc
quay tương ứng với cường độ dòng điện qua ống dây.
Ampe kế sắt từ có thể đo dòng xoay chiều, do góc quay của kim không phụ thuộc
chiều dòng điện.
c) Ampe kế nhiệt
Bộ phận chính của ampe kế nhiệt là một thanh kim loại mảnh và dài được cuộn lại
giống một lò xo xoắn với một đầu gắn cố định, còn đầu kia gắn với một kim chuyển
động trên nền một thước hình cung. Khi dòng điện chạy qua, thanh xoắn nóng lên
đến nhiệt độ cân bằng (công suất nhiệt nhận được từ dòng điện bằng công suất nhiệt
tỏa ra môi trường), và giãn nở nhiệt, đẩy đầu tự do quay. Góc quay, thể hiện bởi vị
trí đầu kim trên thước đo, tương ứng với cường độ dòng điện.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
9
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
d) Ampe kế điện tử
Ampe kế điện tử thường là một chế độ hoạt động của vạn năng kế điện tử. Bản chất
hoạt động của loại ampe kế này có thể mô tả là một vôn kế điện tử đo hiệu điện
thế do dòng điện gây ra trên một điện trở nhỏ gọi là shunt. Các thang đo khác nhau
được điều chỉnh bằng việc chọn các shunt khác nhau. Cường độ dòng điện được suy
ra từ hiệu điện thế đo được qua định luật Ohm.
3.1.2 Ampe kế không can thiệp
a) Đầu dò hiệu ứng Hall
Ta thấy dùng đầu đo hiệu ứng Hall :Phương pháp đo này sử dụng hiệu ứng Hall tạo
ra một hiệu điện thế tỷ lệ thuận (với hệ số tỷ lệ biết trước) với cường độ dòng điện
cần đo.
Hiệu điện thế Hall VH gần như tỷ lệ thuận với cường độ từ trường sinh ra bởi dòng
điện, do đó tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đó.
b) Ampe kế kìm
Trong dòng điện xoay chiều, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện có thể gây
cảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng điện. Đây là cơ chế hoạt động của
Ampe kế kìm.
Nhận xét: Ta thấy rằng các Ampe kế đều sử dụng các phương pháp đo dòng điện
khác nhau và có những ưu và nhược điểm riêng. Như Ampe kế dùng đầu dò hiệu
ứng Hall cũng có từ trễ, nên ta chọn phương pháp đo dòng bằng hiệu ứng Hall
nhưng dùng cảm biến ACS 712-20A.
3.1.
Tìm hiểu về hiệu ứng HALL (hall effect)
3.1.3 Hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall (đọc như "hiệu ứng hôn") là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi
áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán
dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó
người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của
thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện
trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá
bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
10
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
3.1.4 Cơ chế
Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn
điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron
trong kim loại). Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về
một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương.
Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của
thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
VH = (IB)/(den)
Trong đó:
VH là hiệu thế Hall,
I là cường độ dòng điện,
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
11
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
B là cường độ từ trường,
d là độ dày của thanh Hall,
e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall,
n mật độ các hạt này trong thanh Hall.
Công thức này cho thấy một tính chất quan trong trong hiệu ứng Hall là nó cho
phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall
âm hay dương. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron
chứ không phải là proton được chuyển động tự do để mang dòng điện. Điểm thú vị
nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện
được mang đi bởi các lỗ trống (có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là
electron đơn thuần.
Khi từ trường lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng tử,
thể hiện sự lượng tử hóa điện trở của vật dẫn.
Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall bị tăng lên một cách dị thường, được biết đến
là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu. Cơ chế vật lý của hiệu
ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi.
3.1.5 Ứng dụng
Hiệu ứng Hall được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị đo, đầu dò. Các thiết bị này
thường phát ra tín hiệu rất yếu và cần được khuếch đại. Đầu thế kỷ 20, các máy
khuếch đại dùng bóng chân không quá tốn kém, nên các đầu đo kiểu này chỉ được
phát triển từ khi có công nghệ vi mạch bán dẫn. Ngày nay, nhiều "đầu dò hiệu ứng
Hall" chứa sẵn các máy khuếch đại bên trong.
Đo cường độ dòng điện
Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường, mà từ trường được sinh ra từ một dòng điện
bất kỳ, do đó có thể đo cường độ dòng chạy qua một dây điện khi đưa dây này gần
thiết bị đo. Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng chạy
trong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall. Phương pháp đo dòng điện này
không cần sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu như không gây thêm điện
trở phụ của máy đo trong mạch điện, và không bị ảnh hưởng bởi nguồn điện (có thể
là cao thế) của mạch điện, tăng tính an toàn cho phép đo.
Đo công suất điện
Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cường độ dòng điện và hiệu điện
thế trên mạch. Vậy có thể đo công suất này bằng cách đo dòng điện (như mô tả ở
trên) đồng thời với việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để nuôi dòng qua thanh
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
12
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Hall. Phương pháp như vậy có thể được cải tiến để đo công suất dòng điện xoay
chiều trong sinh hoạt dân dụng. Nó thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông
và ít gây cản trở dòng điện.
Xác định vị trí và chuyển động
Hiệu ứng Hall có thể dùng để xác định vị trí cơ học. Các thiết bị kiểu này không có
một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể được chế tạo kín, chịu được bụi, chất
bẩn, độ ẩm, bùn lầy... Điều này giúp các thiết bị này có thể đo đạc vị trí tiện hơn
dụng cụ quang học hay cơ điện.
Lịch sử khám phá
Năm 1878, Edwin Herbert Hall, khi đang là sinh viên của trường Đại học Johns
Hopkins, đọc quyển sách "Luận về thuyết Điện từ" viết bởi James Clerk Maxwell.
Ông đã thắc mắc với giáo sư của mình là Henry Rowland về một nhận xét của
Maxwell rằng "lực điện từ đặt lên dây dẫn không tác dụng trực tiếp lên dòng điện
mà tác động lên dây dẫn mang dòng điện đó". Rowland cũng nghi ngờ tính xác thực
của kết luận đó nhưng những kiểm tra bằng thực nghiệm của ông đã không mang lại
kết quả phản bác.
Hall quyết định tiến hành nhiều thí nghiệm và cũng đã thất bại. Cuối cùng, ông làm
lại thí nghiệm của Rowland, nhưng thay thế dây dẫn kim loại trong thí nghiệm này
bằng một lá vàng mỏng. Hall đã nhận thấy từ trường làm thay đổi sự phân bố điện
tích trong lá vàng và làm lệch kim của điện kế nối với các mặt bên của nó. Thí
nghiệm đã không chỉ thỏa mãn thắc mắc của Hall về nhận xét của Maxwell, mà đã
khẳng định bản chất dòng điện trong kim loại.
Ngày nay, ta biết là điều kiện thí nghiệm thời ấy chỉ tạo được từ trường yếu và hiệu
ứng chỉ quan sát được khi kim loại dẫn điện rất tốt như vàng. Hall đã đi đúng hướng
khi sử dụng vàng trong thí nghiệm của mình, để khám phá ra một hiệu ứng cơ bản
trong vật lý chất rắn hiện đại.
Phát hiện này cũng đã mang lại cho Hall một vị trí tại trường Đại học Harvard.
Công trình của ông được xuất bản năm 1879. Năm 1881, sách của Maxwell được tái
bản lần hai với chú thích: "Ông Hall đã phát hiện rằng một từ trường ổn định có thể
làm thay đổi chút ít sự phân bố dòng điện trong phần lớn các dây dẫn, vì vậy tuyên
bố của Maxwell chỉ được xem như là gần đúng."
Hiệu ứng Hall không chỉ được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệ từ cuối thế
kỷ 20, mà còn là tiền đề cho các khám phá tương tự cùng thời kỳ này như hiệu ứng
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
13
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Hall lượng tử, một hiệu ứng đã mang lại giải thưởng Nobel vật lý cho người khám
phá ra nó.
3.2.
Lựa chọn cảm biến
Cảm biến được chọn là: ACS 712-20A
IC cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, được tích hợp đầy đủ với chất
dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2.1kV RMS.
Lý do chọn cảm biến: vì cảm biến ACS 712-20A khá thông dụng trên thị trường;
đáp ứng được yêu cầu đo dòng điện mà đề tài yêu cầu; và nó còn có những đặc điểm
được nêu trong mục 3.4 sau.
3.3.
Đặc điểm và lợi ích của cảm biến
a) Đặc điểm và lợi ích
+Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp.
+ Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới.
+ Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs.
+ Băng thông 80kHz.
+ Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%.
+ Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ.
+ Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ.
+ Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8.
+ Nguồn vận hành đơn 5V.
+ Độ nhạy ngõ ra từ 100mV/A.
+ Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC.
+ Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định.
+ Sự trễ từ gần bằng zero.
+ Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp.
b) Hình ảnh và chi tiết cấu tạo
Cảm biến và Module:
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
14
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Mô tả về IC:
ACS712 Allegro cung cấp giải pháp kinh tế và chính xác cho việc cảm ứng dòng
AC hoặc DC trong các hệ thống công nghiệp, thương mại và liên lạc. Dạng đóng
gói của thiết bị cho phép người sử dụng dễ dàng lắp đặt. Ứng dụng tiêu biểu bao
gồm điều khiển động cơ, quản lý và phát hiện tải, nguồn cung cấp chế độ switch, và
bảo vệ lổi quá dòng. Thiết bị này không sử dụng cho các ứng dụng trong ô tô.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
15
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đường
dây dẫn đồng được đặt gần bề mặt của lớp vỏ. Dòng điện được cung cấp đi qua
phần dây đồng sẽ tạo ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp
tương ứng. Thiết bị được tối ưu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất
gần đến bộ biến đổi Hall.
Một điện áp tương ứng (proportional), chính xác được cung cấp bởi IC Hall
BiCMOS độ lệch thấp, bộ tạo xung được ổn định mà đã được lập trình chính xác
sau khi đóng gói.
Ngõ ra của thiết bị có 1 cạnh (sườn) dương (> VIOUT(Q)) khi tăng dòng điện đi
qua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 1 và 2, đến chân 3 và 4), là phần được dùng để
lấy mẫu dòng điện. Điện trở trong của phần dẫn điện này là 1.2mΩ, tiêu thụ nguồn
thấp. Bề dày của dây đồng cho phép thiết bị có thể chịu được đến 5 lần điều kiện
quá dòng. Các đầu của phần dẫn điện được cách điện với các đầu tín hiệu (chân 5
đến chân 8). Điều này cho phép ACS712 được dùng trong các ứng dụng được yêu
cầu cách điện mà không dung opto cách điện hoặc các kỹ thuật cách điện đắt tiền
khác.
ACS712 được cung cấp trong dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ. Các khung
chân của thiết bị được mạ với 100% thiếc mà nó phù hợp với tiêu chuẩn RoSH.
Thiếc bị này được hiệu chuẩn đầy đủ tại nhà máy trước khi xuất xưởng.
Các đặc tính vận hành chung: xem bảng dưới đây
Các ứng dụng cơ bản:
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
16
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Ứng dụng 1. ACS712 xuất ra 1 tín hiệu analog, VOUT mà biến đổi tuyến tính với
dòng điện IP được lấy mẫu thứ cấp DC hoặc AC, trong phạm vi đã được chỉ định.
CF được giới khuyến cáo dùng cho mục đích quản lý nhiễu, với giá trị phụ thuộc
vào từng ứng dụng.
Ứng dụng 2. Mạch phát hiện đỉnh
Ứng dụng 3. Cấu hình mạch bên dưới tăng độ lợi đến 610mV/A
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
17
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
18
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
4.1.
Sơ đồ khối của mạch nguyên lý
4.1.1
Ý tưởng
4.1.2
Sơ đồ nguyên lý
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
19
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
4.1.3 Đồ thị dạng dòng điện và điện áp:
4.2.
Đặc điểm của các linh kiện trong mạch
4.2.1 Atmega16
Sơ đồ:
AVCC(chân 30): chân cung cấp nguồn riêng cho bộ ADC hoạt động.
AREF(chân 32: chân cung cấp điện áp tham chiếu (điện áp lớn nhất mà bộ ADC có
thể chuyển đổi) cho bộ ADC.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
20
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
RESET(chân 9): chân reset.
Chân 1 nối với chân G của MOSFET để điều khiển mở/khóa MOSFET.
Chân 34 (ADC6): đưa tín hiệu đo đã chuyển đổi vào ADC của vi điều khiển.
Các chân 14-20: dùng để điều khiển và xuất dữ liệu ra LCD.
3.1.6 LCD16x2
Sơ đồ:
Dùng để hiển thị kết quả đo được sau khi xử lý.
3.1.7 358N
Tham gia vào việc chuyển đổi tín hiệu nhận được sau cảm biến thành tín hiệu phù
hợp với đầu vào ADC của vi điều khiển.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
21
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
3.1.8 Nguồn 5V
Cung cấp năng lượng cho mạch hoạt động.
4.3. Những hạn chế khi đo dòng điện xoay chiều và hướng phát triển
Đo dòng xoay chiều nhỏ
Để đo được dòng này thì yêu cầu độ nhạy cao. Hiện nay việc nâng cao độ nhậy, hạ
thấp ngưỡng nhạy và khuếch đại ổn định, chính xác cao cũng còn gặp nhiều khó
khăn.
Vấn đề gặp phải khi đo dòng xoay chiều sử dụng biến trở công suất là khi ta điều
chỉnh biến trở công suất ở một giá trị cao thì dòng vào cảm biến ACS 712 sẻ nhỏ ở
ngưỡng nào đó thì cảm biến khó mà phát hiện được và một phần nhỏ cũng do bên
trong cảm biến có tiêu hao công suất nên khi đo dòng khá nhỏ thì việc thay đổi điện
áp ra không còn chính xác. Gây nên sai số bé.
3.1.9 Đo dòng điện xoay chiều lớn
Đo dòng xoay chiều lớn bằng phương pháp kết hợp dùng biến trở công suất.
Khi sử dụng biến trở công suất, tải hạn chế dòng vào cảm biến, thì khi điều chỉnh
biến trở công suất ở giá trị nhỏ quá mức thì làm sai số khi đo, và nếu cảm biến phải
chịu dong vào lớn có thể làm cháy cảm biến.
3.1.10 Xử lý điện áp ra (VOUT) của cảm biến
Khác với dòng một chiều, dòng xoay chiều là đại lượng vật lý biến đổi điều hòa
hình sin, tức là dòng vào cảm biến cũng là hình sin, vì vậy nên điện áp ra (VOUT)
của cảm biến cũng có dạng sin.
Yêu cầu đặt ra là cần xử lý tín hiệu điện áp ra hình sin này thành giá trị hiệu dụng
để đưa vào ADC của vi xử lý.
Vì vậy chúng em đã sử dụng các khối khuếch đại nhằm: tách đỉnh lấy giá trị hiệu
dụng, lặp điện áp, khuếch đại điện áp (cụ thể là chia 2 lần) trước khi đưa vào ADC
của vi điều khiển.
Ở các bước xử lý điện áp ra này, chúng em đã sử dụng các điện trở và các điện trở
này thì thường không chính xác và có sai số đáng kể là cho tín hiệu được xử lý
không như mong muốn.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
22
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
3.1.11 Sử dụng nguồn một chiều
Trong thiết kế mạch đo dòng điện xoay chiều thì chúng em có sử dung nguồn một
chiều 5V để nuôi cảm biến, các con khuếch đại, LCD, RESET cho vi xử lý, ADC
trong vi xử lý.
Nhưng giá trị nguồn đo được chỉ 4.88V nên ảnh hưởng không tốt trong quá trính đo
và kiểm tra, đây cũng chính là yếu tố gây sai số kết quả đo.
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
23
Đồ án: Đo dòng điện xoay chiều
CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN
5.1Lưu đồ khái quát
Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Đạt – Nguyễn Hoàng Thạch
24
