Đề tài Thiết kế và lắp đặt mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu sáng công cộng

mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện) ngày càng khan hiếm, thì chủ đề “tiết kiệm năng lượng” có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nhận thấy tầm quang trọng của việc tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện nói riêng, chúng em được sự hướng dẫn của thầy ThS. Phan Thanh Hoàng Anh, chúng em thiết kế ra mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu sáng công cộng. Mạch điều khiển có thể điều khiển tự động dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài (trời tối đèn tự bật và trời sáng đèn tự tắt) và có thể đặt giờ để đèn thay đổi sang cấp công suất khác (từ 18h đến 23h đèn sáng 250w, từ 23h đến 6h sáng hôm sau đèn sáng 150w). Tính ưu việt của đề tài này là tính tự động hóa cao, hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt cũng như vận hành. 1.2 Mục tiêu và hướng giải quyết đề tài - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đèn chiếu sáng công cộng (ở đây nhóm em dùng đèn natri cao áp), từ đó tìm hiểu nguyên tắc điều khiển đèn cũng như mạch điều khiển. - Mục tiêu là điều khiển độ sáng của đèn thông qua 2 cấp công suất và điều khiển tự động (bật, tắt) đèn qua cảm biến ánh sáng (quang trở). - Qua tìm hiểu, sinh viên có thể vẽ toàn bộ sơ đồ mạch điều khiển, tiếp theo là mô phỏng mạch cảm biến án sáng trên phần mềm proteus, từ đó tiến hành mua linh kiện cần thiết và khâu còn lại là đấu dây và chạy thử. 1.3 Tính tối ưu của đề tài - Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 2 - Tạo tính linh động và mở rộng cho sinh viên khi thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng công cộng dựa trên cơ sở thực tế trong quá trình tìm hiểu. - Mạch điều khiển đơn giản, nhưng tiết kiệm điện năng. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 3 CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 2.1 Giới thiệu về phần mềm protues Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Khởi động chương trình - Start > All Program > Proteus 6 Professional > ISIS 6 Professional Cửa sổ chương trình sau khi khởi động: Hình 2.1: Giao diện phần mềm proteus Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 4 Các thao tác cơ bản * Sử dụng thanh công cụ chuẩn: Hình 2.2: Thanh công cụ phần mềm proteus Các thao tác trên thanh công cụ chuẩn cũng có thể thực hiện thông qua menu File và menu Edit. * Sử dụng thanh linh kiện Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 5 Để đưa linh kiện vào vùng thiết kế, ta thực hiên chọn linh kiện rồi nhấn chuột trái trên vùng làm việc. Để thực hiện chọn linh kiện, ta thực hiện nhấn chuột phải trên linh kiện, nó sẽ chuyển sang màu đỏ cho biết trạng thái đang chọn. Sau khi đã chọn linh kiện, ta có thể di chuyển linh kiện bằng cách thực hiện thao tác drag-and-drop (nhấn chuột trái và giữ rồi di chuyển chuột đến vị trí kế). Để xoá linh kiện, ta chọn linh kiện rồi nhấn chuột phải làn nữa để xoá. Thêm linh kiện mới: Nếu linh kiện không tồn tại trong thanh linh kiện, ta phải thực hiện thêm mới từ các thư viện có sẵn bằng cách chọn menu Library > Pick hay nhấn P Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 6 Cửa sổ lấy linh kiện: Hình 2.3: Giao diện cửa sổ phần mềm proteus Ví dụ như để tìm linh kiện điện trở: - Gõ Resistor trong vùng Keywords. - Chọn Category là Resistors. - Chọn Sub- category là Generic. Một số linh kiện thường dùng trong proteus: Điện trở: res Biến trở: pot-hg Quang trở: ldr Tụ phân cực: radial Tụ không phân cực: cap Đi-ốt: diode Cầu đi-ốt: bridge Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 7 Thạch anh: crystal Nút nhấn: button Nguồn AC: vsin Nguồn DC: battery Rơ le : animated relay model Led 7 đoạn : 7SEG Bóng đèn: lamp Ic ổn áp: 78XX (XX là số) cuộn cảm : inductor * Nối dây: - Chuyển con trỏ chuột đến vị trí cần nối dây, trên con trỏ chuột sẽ xuất hiện dấu X - Di chuyển chuột và nhấn chuột trái khi cần thiết xác định vị trí dây dẫn Khi kéo dây đến vị trí cần thiết thì nhấn chuột trái để nối dây. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 8 2.2 Mạch nguyên lý - Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở để nhận biết ánh sáng từ môi trường bên ngoài (ánh sáng mặt trời). Khi trời sáng điện trở trong quang trở vô cùng lớn, không có dòng điện đi qua opamp, ngược lại khi trời tối điện trở trong quang trở nhỏ và cho dòng điện qua opamp. Hình 2.4: Mạch mô phỏng khi trời tối, đèn sẽ sáng Khi trời tối, quang trở không nhận được ánh sáng, điện trở trong quang trở vô cùng lớn nên dòng điện qua chân V(+) mà không qua quang trở, điện áp V(+) > V(-) nên ngõ ra chân 7 bằng 1 (24V), đèn led mô phỏng sáng. Mô phỏng được tiến hành bằng cách giảm dần cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, vì trời tối nên giảm cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, khi đó đèn led mô phỏng sáng lên. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 9 Hình 2.5: Mạch mô phỏng khi trời sáng, đèn tắt Khi trời sáng, quang trở nhận được ánh sáng bên ngoài, điện trở trong quang trở càng nhỏ, dòng điện qua quang trở mà không qua chân V(+), điện áp tại chân V(+) < V(-) nên ngõ ra bằng 0 (0V), đèn led mô phỏng tắt. Mô phỏng bằng cách tăng dần cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, vì là trời sáng nên khi chiếu vào quang trở, đèn led mô phỏng sẽ tắt. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 10 Hình 2.6: Mạch thiết kế thực tế bằng phần mềm proteus Để thi công thiết kế mạch cảm biến ánh sáng, vẽ bằng phần mềm proteus như hình trên với các khối J1 là khối relay, J2 là khối quang trở, J3 là khối nguồn 24V Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 11 2.3 Mạch Layout Hình 2.7: Mạch layout cảm biến ánh sáng Mạch in layout giúp vẽ được sơ đồ đi dây để làm mạch in. Mạch layout này của hình 2.6. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 12 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Mạch toàn bộ hệ thống điều khiển - Mạch sử dụng quang trở để cảm biến ánh sáng để bật tắt đèn một cách tự động dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài, qua relay đóng điện cho đèn sáng và timer đặt giờ (từ 18h đến 23h đèn sáng 250w, từ 23h đến 6h sáng hôm sau đèn sáng 150w), ở đây là mô hình nghiên cứu nên nhóm em chỉ đặt giờ trong vòng 3 phút tượng trưng. Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây của toàn bộ hệ thống điều khiển đèn. * Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống điều khiển: - Biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 12VD, qua khối nguồn 24V nâng lên thành 24VDC cung cấp cho mạch cảm biến ánh sáng. Tại đây quang trở của mạch cảm biến ánh sáng sẽ nhận ánh sáng từ môi trường bên ngoài, khi ánh sáng không đủ sáng quan trở sẽ cho dòng điện đi tới con relay 24VDC/220VAC. Relay có điện sẽ đóng tiếp điểm thường hở và cho dòng điện đi tới ballast, relay được cấp nguồn từ mạch cảm biến, nghĩa là trời tối thì quang trở không cho dòng điện đi qua và không có dòng để cấp nguồn cho relay 24VDC/220VAC và đèn sẽ không sáng. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 13 - Việc chuyển cấp của ballast là nhờ vào relay 220VAC/220VAC, relay này được điều khiển bằng timer (từ chân số 6 timer điều khiển qua chân 13 của relay). Timer được cấp nguồn từ chân số 8 của relay 24VAC. Khi timer đếm đủ thời gian định trước thì relay 220VAC/220VAC sẽ đóng tiếp điểm còn lại để ballast chuyển cấp công suất khác. - Tụ kích có nhiệm vụ kích sáng (làm mồi) cho đèn sáng, vì đèn sử dụng là đèn natri cao áp (sodium cao áp). Ưu điểm của mạch điều khiển trên là: - Tính tự động hóa cao: khả năng bật tắt đèn hoàn toàn tự động dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài, phù hợp với thực tế yêu cầu đặt ra của một hệ thống chiếu sáng thông minh và tiết kiệm điện năng. - Hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt, vận hành cũng như bảo trì sửa chữa. - Chi phí đầu tư nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các tiêu chí về chiếu sáng cũng như yếu tố kỹ thuật, và tiết kiệm một khoảng tiền lớn cho ngân sách Nhà nước. - Tăng tuổi thọ cho các thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, ballast,) - Giảm ô nhiễm môi trường: không chỉ tăng tuổi thọ cho đèn và các thiết bị liên quan mà còn góp phần giảm lượng lớn các bóng đèn, thiết bị đèn được sản xuất ra, bảo vệ môi trường, giảm lượng khí CO2 thải ra hằng năm. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 14 Hình ảnh chụp thực tế đấu nối dây của phần cứng Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây mặt bên trong của hộp Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây mặt ngoài của hộp Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 15 Hình 3.4: Hình ảnh khi chạy thử mạch Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 16 3.2 Mạch cảm biến ánh sáng Hình 3.5: Mạch cảm biến ánh sáng - LDR (quang điện trở): là 1 loại cảm biến ánh sáng đơn giản, nguyên tắc hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong. Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR thì nội trở của LDR sẽ giảm xuống, tiến về 0 ôm (mạch kín). Nhưng khi ánh sáng kích thích ngừng thì nội trở tăng đến vô cùng (hở mạch). Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 17 Hình 3.6: Quang trở - LM311N: opamp so sánh điện áp giữa V+ và V-, nếu V+ > V- thì ngõ ra chân 7 mang mức 1 (5V) kích dòng cho transistor, ngược lại mang mức 0 (0V) Hình 3.7: Opamp LM311N - 2N2222: transistor nhận dòng kích từ chân 7 của opamp LM311N để cho dòng qua relay điều khiển đèn. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 18 Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau . Hình 3.8: Cấu tạo của một transistor Cấu tạo Transistor + Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. + Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 19 Hình 3.9: Transistor 2N2222 - VR1: biến trở 50k có nhiệm vụ chỉnh độ nhạy của quang trở, điện trở của biến trở càng lớn thì dòng qua quang trở càng nhỏ và ngược lại. Hình 3.10: Biến trở VR - Relay: Hình 3.11: Cấu tạo của relay + Relay là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem là Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 20 một thiết bị bảo vệ. Một rơle điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn. Kết cấu relay gồm có một lõi sắt, một cuộn từ và một tiếp điểm. Hình 3.12: Relay 24VDC + Relay là một công tắc điện điều khiển từ xa và được điều khiển bởi một công tắc khác. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 21 Hình 3.7: Ứng dụng của relay * Nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng: Quang trở nhận ánh sáng từ môi trường bên ngoài, khi có ánh sáng (trời sáng) làm tăng electron tự do trong quang trở và có dòng điện đi qua, dòng điện tới chân V(-) của opamp, V(+) < V(-) nên ngõ ra chân 7 của opamp bằng 0 (0v), ngược lại khi ánh sáng yếu (trời tối) thì nội trở trong quang trở rất lớn, dòng điện trong quang trở rất nhỏ và dòng tới chân V(-) bằng 0, V(+) > V(-) nên ngõ ra chân 7 của opamp bằng 1 (12v). Dòng điện tới chân G kích cho transistor 2N2222 làm cho relay có điện và đóng tiếp điểm lại, đèn sáng. 3.3 Mạch bộ đèn 3.3.1 Các bộ phận của bộ đèn chiếu sáng công cộng - Dùng bóng đèn chiếu sáng công cộng cao áp sodium hãng Philips SON-T 250W - Các thành phần của bộ đèn lắp bóng cao áp hai cấp công suất: Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 22 +Ballast hai cấp công suất: 250w/150w + Tụ kích (mồi) + Bóng đèn Sodium: 250w + Tụ bù hệ số công suất (nên có): 32µF, 25 µF, 20µF - Nguyên tắc hoạt động của đèn sodium (natri cao áp): hơi natri với áp suất 250mmHg ở nhiệt độ > 1000oC sẽ bức xạ, đèn cao áp lợi dụng sự phóng điện (hồ quang) giữa 2 điện cực để tạo nên bức xạ và các tia cực tím, các tia này phản ứng với các kim loại như: thủy ngân, natri, metal halide và va đập vào lớp bột huỳnh quang để phát ra ánh sáng nhìn thấy. - Chấn lưu hai cấp công suất là chấn lưu điện từ có thêm cuộn kháng phụ, khi được nối sẽ làm giảm công suất tiêu thụ trên đèn. Đối với chấn lưu hai cấp công suất cuộn kháng phụ là cuộn dây được quấn trên cùng cực từ của cuộn dây chính và nối tiếp với cuộn dây chính đó, khi đó chấn lưu có 3 cực đấu dây. Nhờ bộ chuyển mạch, chấn lưu có thể làm việc với cuộn dây chính hay chuyển sang làm việc với cuộn dây chính có thêm cuộn phụ. Hình 3.8: Chấn lưu (ballast, tăng phô) 2 cấp công suất - Tụ kích (mồi), bóng đèn, tụ bù hệ số công suất được chọn để lắp như với chấn lưu một mức công suất. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 23 Hình 3.9: Tụ kích Nhiệm vụ của tụ kích là mồi cho đèn cao áp sáng, khi đèn sáng tụ kích không còn nhiệm vụ nữa. Tụ kích được đấu nối dây với chân L đấu vào chân L của đèn, chân N đấu với chân N của đèn và chân B được đấu vào chân 12 của relay 220VAC/220VAC (vì ở đây em thay bộ chuyển đổi công suất thành khối relay). Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 24 - Tụ bù hệ số công suất Hình 3.10: Tụ bù