báo cáo thực hành điện tử công suất, cảm biến loadcell,...

Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC.Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điệ

Mục Lục

Phần I:Điện Tử Công Suất

I.1) Mạch kích Triac và Thyristor 3

I.1 1)Cấu tạo Triac và Thyristor I.1.2) Nguyên lý I.2)Chỉnh Lưu Công Suất 1 Pha 13

I.3) Chỉnh Lưu Công Suất 3 Pha 14

I.4) Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều 16

I.5) Biến Tần và Điều Chế Độ Rộng Xung 18

Phần II: Đo Lường Cảm Biến II.1 )Đo nhiệt độ bán dẫn,RTD,Thermocouples. II.1.1 )Đo nhiệt độ RTD (PT100) 25

1)Cấu tạo.

2)Nguyên lý.

3)Thông số cơbản.

4)Ưu nhược điểm 5)Ứng dụng.

6)Thực hành trên thực tế.

II.1.2)Cảm biến đo nhiệt độ Thermocouple 28

1)Cấu tạo.

2)Nguyên lý.

3)Phân loại.

4)Ưu nhược điểm.

3)Phân loại.

4)Ưu nhược điểm.

II.2 )Đo Lường Dịch Chuyển 32

II.2.1) Một số cảm biến vị trí và dịch

chuyển II.2.2) Cảm biến Hall

1) Cấu tạo 2)Nguyên lý

II.3 )Đo Khối Lượng Với LOADCELL 42

1)Cấu tạo.

2)Nguyên lý.

3)Thông số cơ bản.

5)Ứng dụng.

6)Thực hành trên thực tế.

II.4) Cảm Biến Tiệm Cận Điện Cảm – Điện Dung 47

Phần I:Điện Tử Công Suất

I/Mạch kích Triac và Thyristor.

I/1Cấu tạo Triac và Thyristor.

►Trường hợp cực G để hở hay V G = OV

Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực B nên T1 ngưng dẫn Khi T1ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng

dẫn Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC.

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK

tăng theo đến điện thế ngập VBO(Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống nhưdiode và dòng điện IA tăng nhanh Lúc này Thyristor chuyển sang trạng tháidẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điệnduy trì IH(Holding) Sau đó đặc tính của Thyristor giống như một diode nắnđiện

►Trường hợp phân cực ngược Thyristor.

Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương củanguồn VCC Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược Thyristor sẽkhông dẫn điện mà chỉ có dòng rỉ rất nhỏ đi qua Khi tăng điện áp ngược lên

đủ lớn thì Thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiều ngược.Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là VBR Thông thường trị số VBR

và VBO bằng nhau và ngược dấu

c)Đặc tính

d) Các thông số kỹ thuật

►Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua mà

Thyristor có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư KhiThyristor đã dẫn điện VAK khoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua có thể tínhtheo công thức:

5

►Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt

giữa A và K mà Thyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số nàyThyristor sẽ bị phá hủy Điện áp ngược cực đại của Thyristor thường khoảng100V đến 1000V

►Dòng điện kích cực tiểu: I Gmin : Để Thyristor có thể dẫn điện trong

trường hợp điện áp VAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G củaThyristor Dòng IGmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristordẫn điện và dòng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất củaThyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn Thôngthường IGmin từ 1mA đến vài chục mA

►Thời gian mở Thyristor: Là thời gian cần thiết hay độ rộng của

xung kích để Thyristor có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng tháidẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây

►Thời gian tắt: Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn

điện sau khi được kích Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sangtrạng thái ngưng thì phải cho IG = 0 và cho điện áp VAK = 0 để Thyristor cóthể tắt được thì thời gian cho VAK = OV phải đủ dài, nếu không VAK tăng lêncao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại Thời gian tắt của Thyristorkhoảng vài chục micrô giây

2)Triac

a)Cấu tạo

Triac là dụng cụ tương đương với 2 Thyristor song song ngược chiều

nhau có chung một cực điều khiển Do làm việc với cả nguồn phân cựcdương và âm, khái niệm Anode và Cathode của Triac không phù hợp

b)Nguyên lý

►Cực cổng G dương và cực MT2 dương so với MT1

►Cực cổng G âm và cực MT2 âm so với MT1

►Trong mạch điện, một triac cho qua 2 nửa chu kỳ của một điện áp xoay chiều và điều khiển bằng một cực điều khiển G

►Khác với SCR, triac tắt trong một khoảng thời gian rất ngắn lúcdòng điện tải đi qua điểm O Nếu mạch điều khiển của triac có gánh làđiện trở thuần thì việc ngắt mạch không có gì khó khăn Nhưng nếutải là một cuộn cảm thì vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn vì dònglệch pha trễ Thông thường để tắt Thyristo người ta sử dụng cái ngắtđiện hoặc mạch đảo lưu dòng điện trong mạch

7

I.1.2) Sơ đồ kích Thyristor & Triac đồng bộ

I.1.3)Dạng sóng thu được.

Tín hiệu vào X Y……… V/Div Time Base………ms/Div

TP1……… V/Div Time Base………ms/Div

Nhận xét: Ngõ vào xoay chiều sẽ được khuếch đại thành xung vuông

có góc độ tương ứng để ngắt khoá K1, cho phép dòng nạp cho tụ C1,C2.Tương ứng với bán kì dương trên tụ C1,C2 thì sẽ có xung răng cưa.

10

TP3……… V/Div Time Base………ms/Div

Nhận xét: Bộ so sánh IB,IA chức năng so sánh thế răng cưa với thế

Vp.Khi thế răng cưa lớn hơn thế Vp thì bộ so sánh tạo xung dương ở lối ra sử dụng để điều khiển Thyristor.

TP5……… V/Div Time Base………ms/Div

Nhận xét: IC4528 chức năng thực hiện các phép toán logic và giải

mã các đầu ra.

12

I.2) Chỉnh Lưu Công Suất 1 Pha.

I.2.1)Mạch đo

I.2.2)Dạng sóng thu được

……… V/Div Time Base………ms/Div

I.3) Chỉnh Lưu Công Suất 3 Pha.

I.3.1)Mạch đo

14

I.3.2)Dạng sóng thu được

I.4) Biến Đổi Điện Áp Xoay Chiều.

I.4.1)Mạch đo

I.4.2)Dạng sóng thu được

16

……… V/Div Time Base………ms/Div

I.5) Biến Tần và Điều Chế Độ Rộng Xung.

I.5.1)Mạch đo

18

I.5.2)Dạng sóng thu được

……… V/Div Time Base………ms/Div

20

……… V/Div Time Base………ms/Div

……… V/Div Time Base………ms/Div

22

……… V/Div Time Base………ms/Div

……… V/Div Time Base………ms/Div

24

Phần II:Cảm Biến Đo Lường

II.1 )Đo Nhiệt Độ Bán Dẫn,RTD,cặp nhiệt điện

II.1.1)Đo nhiệt độ RTD (PT100) 1)Cấu tạo

RTD là chữ viết tắt của Resistance Temperature Detectors dịch ra dểhiểu là cảm biến nhiệt độ điện trở RTD (Resistance Temperature Detector –nhiệt điện trở – Pt100) hoạt động dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loạităng lên khi nhiệt độ tăng lên – hiện tượng đó gọi là nhiệt điện trở suất Do

đó, đo nhiệt độ có thể được suy ra bằng cách đo điện trở của cảm biến RTD

PT100 : có cấu tạo là một cuộn trờ làm bằng Platin, dựa vào sự hayđổi điện trở của vật liệu làm cảm biến là Platin (Pt) theo nhiệt độ

2)Nguyên lý

.Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm, điện trở RAB (điện trở củaRTD) sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường (nhiệt độ tăng thì điện trở

tăng, nhiệt độ giảm thì điện trở giảm) Đo giá trị điện trở đó ta có thể suy ra ngược lại giá trị của nhiệt độ.

Các giá trị điện trở thay đổi theo một hệ số Alpha α (đối với RTDplatin) Hệ số alpha được xác định bằng phương trình:

Alpha = (R100 - R0) ÷ 100 R0(Trong đó, R0 là điện trở của cảm biến tại 0 °C và R100 là điện trở của cảmbiến tại 100 °C)

- Chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 70cm

- Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 500ºC

4)Ưu nhược điểm

26

6) Thực hành trên thực

tế a)Mạch đo:

b)Quan sát kết quả thực tế:

II.1.2) Cảm biến đo nhiệt độ

Thermocouple 1)Cấu tạo

Cặp nhiệt điện (Thermocouple – T/C – can nhiệt) là một thiết bị cảmbiến nhiệt điện mạch kín bao gồm hai dây kim loại khác nhau được nối lại ởhai đầu Một dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu khác với nhiệt độ

ở đầu còn lại Hiện tượng này được biết đến như là hiệu ứng Seebeck, đây là

cơ sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện

2) Nguyên lý

Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm, tác động lên đầu nóng củathermocouple, do hiệu ứng Seebeck nên điện áp VAB ở đầu lạnh củathermocouple sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường (nhiệt độ tăng thìđiện áp tăng, nhiệt độ giảm thì điện áp giảm) Đo giá trị điện áp VAB ta có thểsuy ra ngược lại giá trị của nhiệt độ

3) Phân loại

a)Theo vật liệu cấu tạo

► Loại K (Chromel – Alumel)

28

Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp kim baogồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic.

Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạykhoảng 41 μV/ºC.V/ºC

Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270 °C đến +1372 °C (–454

°F đến +2501 °F) và tương đối tuyến tính

► Loại J (Sắt – Constantan)

Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –

200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F), nhưng độ nhạy cao hơn khoảng 50μV/ºC.V/ºC

Nó rất tuyến tính trong khoảng 149 đến 427 °C (300 đến 800 °F) và trở nên dễ gãy dưới 0 °C (32 °F)

Loại J phù hợp để sử dụng trong bầu không khí chân không

►Loại E (Chromel – Constantan)

Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây

dương Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken.Loại E có phạm vi tiềm năng từ –270 đến 1000 °C (–454 đến 1832 °F).Khuyến cáo sử dụng cho môi trường oxy hóa liên tục hoặc khí trơ

Chúng có khả năng chống ăn mòn cao

►Loại N (Nicrosil – Nisil)

Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie và là dây dương

Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic

Các hợp kim này cho phép loại N đạt được độ ổn định nhiệt điện cao hơn các loại kim loại cơ bản E, J, K và T

Nói chung loại R được sử dụng trong công nghiệp và loại S chủ yếu được

sử dụng trong phòng thí nghiệm

►Loại B

Các cặp nhiệt điện loại B (Platin – 30% Rhodi / Platin – 6% Rhodi)

Số lượng Rhodi tăng lên trong cặp nhiệt điện loại B giúp giảm vấn đề tăng trưởng hạt, cho phép tăng phạm vi nhiệt độ tăng lên so với các loại R và S

b)Theo điểm nối

4)Ưu nhược điểm

a)Ưu điểm

Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắc chắn, tiện lợi và linh hoạt,dải đo rộng, khả năng ổn định có thể chấp nhận, có thể tái sản xuất, chínhxác và nhanh Điện áp do chúng tạo ra độc lập với chiều dài và đường kínhdây Trong khi RTD thì chính xác và ổn định hơn, nhiệt trở thì nhạy hơn,cặp nhiệt điện là cảm biến kinh tế nhất và chúng có thể đo được nhiệt độ caonhất

b)Nhược điểm

Nhược điểm chính của cặp nhiệt điện là tín hiệu ra nhỏ Điều này làmcho nó nhạy với nhiễu điện và bị giới hạn đối với những ứng dụng dải đotương đối rộng Nó không tuyến tính, và việc chuyển đổi điện áp ngõ thànhgiá trị nhiệt độ không đơn giản như những thiết bị đo trực tiếp Các cặp nhiệtđiện luôn luôn cần đến bộ khuếch đại, và việc hiệu chuẩn chúng có thể thayđổi bởi vì sự nhiễm bẩn, sự thay đổi thành phần do quá trình ôxi hóa bêntrong Cặp nhiệt điện không thể sử dụng ở trạng thái dây trần trong chấtlỏng dẫn điện, và nếu dây của nó không đồng nhất, điều này có thể tạo ranhững điện áp mà rất khó phát hiện

5)Ứng dụng

30

Dùng để đo nhiệt độ ở các khu vực có nhiệt độ cao trong nhà máy để đảmbảo quy trình vận hành của nhà máy được ổn định hơn mang lại hiệu quả caotrong sản xuất kinh doanh.

Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

II.1.3) Cảm biến đo nhiệt độ bán dẫn

1)Cấu tạo.

Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chấtbán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựatrên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường

2)Nguyên lý.

Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

3)Phân loại.

IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có đầu ra là tính hiệu số

IC Cảm biến nhiệt độ LM35 có đầu ra là tín hiệu analog

4)Ưu nhược điểm.

a)Ưu điểm

Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

b)Nhược điểm

Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

II.2 )Đo lường dịch chuyển

II.2.1)Một số cảm biến vị trí và dịch chuyển

►Cảm biến điện cảm:

●Cảm biến điện cảm dùng con chạy cơ học

●Cảm biến điện cảm không dùng con chạy cơ học

►Cảm biến điện dung:

●Cảm biến quang rọi thấu

●Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi

2) Nguyên lý hoạt động

32

Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng Hall Hiệu ứngHall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuônggóc lên một thanh Hall đang có dòng điện chạy qua.

3)Ưu nhược điểm

4) Ứng dụng :

- Dùng trong phân loại sản phẩm

- Dùng để xác định vi trí di chuyển

- Được sủ dụng nhiều trong robot

II.2.3) Cảm Biến LOADCELL

1)Cấu tạo

►Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” và thành phần còn lại là “Load“.

●Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điệntrở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổnđịnh, được dán chết lên “Load”

●Load – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi

thân

loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài

và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thânloadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges Sựthay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra

Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo vàchuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử(đầu cân)

3)Thông số kỹ thuật

Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính

xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp

– Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể

đo được

– Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theođúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra

– Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chốngđược độ ẩm và bụi)

– Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ragiá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V)

– Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết

quả Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng

– Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

a) Mạch đo:

b) Tiến hành đấu nối và quan sát kết quả thực tế:

-Ngõ ra của Loadcell đươc kết nối với một mạch khuếch đại như trênnhằm nâng điện áp đầu ra để thuận tiện cho việc xử lý Ngõ ra sau khi đượckhuếch đại sẽ kết nối với PLC s7 200 và module mở rộng analog EM 235như sơ đồ bên dưới:

c) Căn chỉnh đầu vào cho module analog

- Tắt nguồn cung cấp cho module.

- Gạt switch để chọn dải đo đầu vào

- Bật nguồn cho CPU và module Để module ổn định trong vòng 10 phút (

Ổn định cho Module vì tính chất nhiễu của tín hiệu tương tự)

- Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị 0 đến một trong những đầu vào (Chỉnh điểm 0)

- Đọc giá trị nhận được trong CPU (Dùng PLC để đọc giá trị nhận được)

- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0 (căn chỉnh điểm không), hoặc giá trị số cần thiết kế

- Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo

- Đọc giá trị nhận được trong CPU

- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để đọc được giá trị là 32000, hoặc giá trị số cần thiết kế

- Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết ( Nên lặp lại nhiều lần để có giá trị khởi đầu chính xác)

Chú ý :

- Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định

- Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu

- Các đầu vào analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch (ví dụ A+ nối với A-)

d) Xử lý tính toán:

Như đã nói ở trên Module EM235 có độ phân giải 12bit

 giải giá trị nhận vào từ: 0-32000

Điện áp đầu vào của cảm biến có giải giá trị : 0-10V

 Bài toán đặt ra :

Cần xác định khối lượng của Load cell nhận được có giới hạn 0-6Kg-Nếu cần đo 2kg thì giá trị nhận được trên PC là bao nhiêu?

Sử dụng qui tắc tam suất ta có:

2kg  (2*10)/6=3.33v (giá trị điện áp mà Module nhận được)

(3.33*32000)/10=10656(giá trị 12bit nhận được)

Tương tự ta tính 5Kg:

5kg(5*10)/6=8.33v(8.33*32000)/10=26656v

38

Ta xây dựng được công thức tính chuyển đổi giữa giá trị điện áp đầu vào

và giá trị nhận được với độ phân giải 12bit

A_max-A_minA_in= - (D_out- D_min) +A_min

D_max-D_minTrong đó:

A_in: Giá trị điện áp nhận được

D_out: giá trị 12bit nhận được

A_max: giá trị max của đầu vào Analog (do cấu hình) hay của cảm biếnA_min : giá trị min của cảm biến

D_max: giá trị max phân giải thường (32000)

D_min : giá trị min phân giải 12bit (0)

e) Chương trình PLC S7 200.

►Chương trình main: