Đồ án Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp Acquy ứng dụng vi điều khiển

được thiết kế, sản xuất, kiểm tra và phân phối phải phù hợp với các thiết bị kèm theo. 2.2. Nguyên tắc chung: - Bộ sạc và acqui khi sử dụng để phụ nạp kết hợp với quá trình trữ điện của acqui nhằm tạo ra nguồn một chiều liên tục không đổi để thực hiện các chức năng: + Dùng để đóng cắt máy cắt, dao cách ly. + Dùng đóng cắt mạch điều khiển bảo vệ rơle. + Các ứng dụng khác. Đặc tinh kỹ thuật: 3.1.Bộ sạc acqui: 3.1.1.Tổng quát: Vai trò của bộ sạc acqui là nhằm tạo ra điện áp một chiều không đổi ở đầu ra, độc lập với sự dao động của điện áp và tần số của nguồn cung cấp AC, và sự thay đổi của điều kiện tải, cũng như bù lại qúa trình tự xả của acqui.. Bộ sạc của Hyundai sử dụng dựa trên nguyên tắc tự động điều chỉnh điện áp với hệ thống điều khiển pha (AVR). Bộ sạc được thiết kế và xây dựng với nhiều đặc điểm và dựa trên chức năng cơ bản của bộ AVR đã đáp ứng tốt nhất những đòi hỏi của các hệ thống cung cấp năng lượng khác nhau. Ống Silic dropper là thiết bị bù điện áp tải nhằm duy trì điện áp một chiều của tải trong một giới hạn cho phép, không chỉ suốt trong quá trình phụ nạp mà còn suốt trong quá trình tự xả của acqui cũng như suốt quá trình phục hồi của bộ sạc hoặc quá trình sạc cân bằng. 3.1.2.Hoạt động: a.Hoạt động của bộ nạp: Tải, acqui, và bộ sạc được mắc cố định song song. Khi nguồn cung cấp AC bình thường, bộ sạc sẽ cung cấp dòng tải và dòng phụ nạp. Acqui chỉ phóng điện khi tải vượt quá giới hạn đầu ra DC của bộ sạc. Trong trường hợp nguồn AC bị lỗi, bộ sạc sẽ ngừng hoạt động và avqui sẽ làm việc để cung cấp cho tải; Khi nguồn AC được phục hồi, bộ sạc sẽ khởi động lại hoạt động và nạp lại cho acqui ứng với thời gian mà acqui đã phóng. Bộ sạc được điều chỉnh để hoạt động ở chế độ song song hoặc nối tiếp với các bộ sạc khác. b.Hoạt động phụ nạp: Đây là chế độ hoạt động bình thường của bộ nạp được khởi động bằng cách bấm nút “FLOATING”. Trong khi cung cấp nguồn một chiều không đổi đến tải, bộ sạc còn duy trì cho acqui một điện áp phụ nạp nhằm bù lại quá trình tự sạc của acqui. Với bộ tự động điều chỉnh điện áp không đổi (AVR), điện áp đầu ra được duy trì chính xác không đổi và không phụ thuộc vào sự dao động của điện áp và tần số của nguồn AC đầu vào và sự thay đổi của điều kiện tải. Bộ sạc rất ít khi được điều chỉnh trong suốt quá trình hoạt động bình thường nhằm đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho acqui. c. Hoạt động phục hồi của bộ sạc (chức năng-tự động): Một điều quan trọng là phải nhanh chóng phục hồi lại cho acqui sau khi đã phóng điện nhằm chuẩn bị cho quá trình phóng tiếp theo. Với mục đích đó bộ sạc được trang bị một thiết bị sạc cân bằng tự động (AED) nhằm khôi phục tự động. Vào lúc nguồn AC được phục hồi, AED sẽ tự động khởi động bộ sạc để phục hồi lại quá trình sạc. Trong thời gian đầu của quá trình khôi phục, dòng sạc được tự động giới hạn bởi chức năng giới hạn dòng của acqui và được giữ không đổi (ổn dòng). Sau đó dòng tải sẽ được tăng từ từ và bộ sạc sẽ được đưa vào trạng thái sạc điện áp không đổi (ổn áp). Sau thời gian cài đặt kết thúc (điều chỉnh từ 0-10 giờ) điện áp bộ sạc sẽ giảm đến điên áp phụ nạp và hoat động sạc được khôi phục. d. Hoạt động sạc cân bằng (chức năng-bằng tay): 3.1.3.Cảnh báo: Bao gồm các lỗi sau: + Ở nguồn cung cấp AC + Qúa nhiệt + Điện áp DC thấp + Điện áp DC quá cao + Chạm đất + Đứt cầu chì + Lỗi ở mạch chỉnh lưu + Qúa tải + Nhã MCCB 3.1.4. Bảo vệ: a. Giới hạn dòng: Trong trường hợp quá tải, thiết bị giới hạn dòng trong bộ sạc có thể giới hạn dòng ra của bộ sạc (có thể điều chỉnh quá 105%). b. Cầu chì cắt nhanh được dùng để bảo vệ ngắn mạch cho mạch thyristor và điôt của mạch chỉnh lưu chính. c. Máy cắt hộp bộ (MCCB): Đầu vào AC và đầu ra DC được đặt máy cắt này để đảm bảo ngăn cách và bảo vệ một lần nửa các sự cố bên trong bộ sạc cũng như mạch ngoài. d. Thiết bị bảo vệ mạch chỉnh lưu (SK): Để bảo vệ mạch chỉnh lưu khỏi các xung điện áp truyền đến. 2.1.5.Nhiệt độ: Nhiệt độ cho phép lớn nhất của các thiết bị được cho như sau: Điểm nhiệt độ Thiết bị Nhiệt độ lớn nhất ( 0C ) Bề mặt linh kiện Thyristor 65 Điôt 90 Silicon dropper 110 Bề mặt cuộn dây Máy biến áp Cấp cách điện và cuộn kháng H,105oC III. Bộ sạc acqui CHLORIDE loại 3CBC 220/50: Bộ nạp này ứng dụng vi điều khiển để điều khiển hoàn toàn quá trình hoạt động. Được thiết kế bởi Công ty TNHH Chloride, Singapore. Nó được sử dụng tại công ty TNHH Việt Á. 1. Các thông số bộ sạc: 1.1. Đầu vào: Điện áp đầu vào: 380 Vac Pha : 3 pha Tần số : 50 Hz Điện áp thứ cấp (đầy tải) : 239,6 Vac Điện áp thứ cấp (không tải) : 247.7 Vac Pha Dòng sơ cấp Dòng thứ cấp Đỏ 27,5 A 40,6 A Vàng 27,2 A 40,3 A Xanh 27,1 A 41,6 A 1.2. Đầu ra: Điện áp phụ nạp : 240,8 V Điện áp nạp tăng cao: 242V Dòng giới hạn tổng : 50 A 1.3. Cài đặt cảnh báo: Cảnh báo mức điện áo thấp : 194,4 V Cảnh báo mức điện áp cao : 259.2 V Cảnh báo lỗi bộ sạc : 232,2 V 2. Chức năng của bộ sạc: Bộ sạc kết hợp với nguồn acqui tĩnh nhằm tạo ra nguồn một chiều để thực hiện các ứng dụng sau: Đóng mở máy cắt Hệ thống đèn sự cố Giao tiếp từ xa Hệ thống điều khiển và giám sát Cung cấp cho mạch vô tuyến và đường truyền vi sóng Hệ thống bảo mật và báo cháy Sử dụng nguồn acqui hoạt động độc lập và chỉ cung cấp cho tải trong trường hợp nguồn cung cấp bị lỗi. 3. Nguyên tắc chung: Bộ nạp: Nhận điện áp AC của nguồn, chỉnh lưu và điều khiển để sạc phụ nạp hoặc tăng cường cung cấp cho acqui. Acqui: Cung cấp cho tải khi nguồn chính bị lỗi hoặc bộ sạc bị ngừng làm việc 4. Mô tả tóm tắt về bộ sạc: 4.1. Mạch điều khiển-chỉnh lưu: Một máy biến áp chính Cầu chỉnh lưu đối xứng, bao gồm thyristor, mạch cầu và mạch điều khiển. Một mạch san phẳng, bao gồm một tụ điện phân ở cuộn kháng Bo điều khiển bao gồm cả 2 mạch điều khiển và cảnh báo. 4.2. Bảo vệ: Máy cắt ở đầu vào AC Cầu chì ở đầu ra AC Cầu chì ở mạch thứ cấp AC Máy cắt ở mạch acqui Máy cắt ở đầu ra mạch chính 4.3. Điều khiển và tín hiệu: Gồm các LED hiển thị giám sát. Các đồng hồ đo dòng và áp. 5. Đặc tính kỹ thuật chung: Đầu vào: Điện áp : 380V Tần số : 50 Hz Hiệu suất : 75% ÷ 80% lúc đầy tải Hệ số công suất: ≥ 0,7 Đầu ra: Điện áp: Bình thường là 12, 24, 30, 48, 110 và 220V, được xác định bởi điện áp thứ cấp và modul card điều khiển chương trình. Độ ổn định điện áp: ±0,5% của điện áp cài đặt giữa 0 và 100% của dòng lúc đầy tải tương ứng với độ lệch ±10% điện áp cung cấp chính. Dãy điện áp: Điện áp phụ nạp và tăng cao có thể được điều chỉnh trong dãy điện áp bình thường bằng đồng hồ điện thế trên card điều khiển. Output Voltage adjustment range Nominal voltage Float voltage Boot voltage 12V 12,8-16,3 14,4-18,7 24V 24,1-29,9 27,2-37,7 30V 32,9-41,5 38,4-49,3 48V 50,4-59,2 57,6-72,5 110V 113,9-135 131,2-162,4 220V 189,3-261 239,4-314 Hình 2.1 Các thông số điện áp điều chỉnh ứng các chế độ nạp 6. Các chế độ hoạt động: 6.1.Bao gồm 2 chế độ riêng biệt: + Chế độ ổn áp + Chế độ ổn dòng Việc thay đổi từ chế độ này sang chế độ kia được thực hiện khi yêu cầu nạp đầy tải. Chế độ 2 (ổn dòng) có thể được duy trì xác định trong trường hợp có ngắn mạch. 6.2. Phụ nạp- tăng cao: Hai mức điện áp đầu ra, phụ nạp và tăng cao được lựa chọn bằng mạch cảm biến dòng, áp nhằm đảm bảo acqui được sạc chính xác. Nạp tăng cao bắt đầu khi nguồn cung cấp chính được phục hồi hoặc điện áp acqui quá thấp. 6.3.Điều khiển: Điều chỉnh đầu ra được thực hiện bởi khoá điều khiển pha đến thyristor, bằng một máy biến áp giảm áp kết nối với nguồn chính. Tín hiệu khoá được tạo ra trên bảng mạch in. Các cảm biến dòng áp đầu ra trên bo mạch dùng để duy trì đầu ra không đổi. 6.4. Điều chỉnh: Ba đồng hồ điện trên card điều khiển với điện áp tăng cao, phụ nạp và dòng lúc đầy tải điều chỉnh được. Thêm vào ba đồng hồ khác có thể được cài đặt để điều chỉnh được các cảnh báo về điện áp cao (Hight Volts), điện áp thấp (Low Volts) và lỗi trong bộ sạc ( charge-fail). Và với ba đồng hồ được phân biệt bởi ba màu là đỏ,vàng, xanh dùng để điều chỉnh cân bằng pha để tạo ra dạng sóng cân bằng ở đầu ra. Tất cả các đồng hồ này đều được sản xuất và niêm phong và không được điều chỉnh mà không có sự cho phép của công ty CHLORIDE BATTERIES SE ASIA PTE LIMITED. 7. Mô tả tóm tắc mạch điều khiển 3CBC-4: Tủ nạp loại 3CBC-4 đủ điều kiện tạo cho dòng và áp giới hạn cho quá trình sạc của acqui. Mạch điều khiển 3CBC-4 bao gồm mạch mạch nguồn, mạch điều chỉnh và cảnh báo. 7.1. Mạch nguồn (Power circuit): Nguồn được đưa đến từ các khối đầu vào cuối của một máy cắt đến sơ cấp của máy biến áp chính và cầu chì; đến bốn máy biến áp điều khiển. Nguồn được hiển thị bằng một led màu xanh cung cấp từ thứ cấp của máy biến áp điều khiển TXA, TXB, TXC1 và TXC2 tạo ra điện áp 20V và 40V đến card điều khiển. Đầu vào 20V cung cấp tín hiệu đến mạch chỉnh lưu chính của thyristor và 40V cung cấp cho mạch điều khiển. Máy biến áp nguồn được thiết kế đặc biệt với trở kháng thấp. đồng thời nó còn có thể lọc được các xung nhọn nhằm tạo ra các dạng sóng bình thường cho mạch điều khiển chỉnh lưu,vì vậy đảm bảo cho sự hoạt động của mạch TF1 và trong mạch chính. Mạch chỉnh lưu là một mạch cầu thyristor ba pha đối xứng, gồm sáu thyristor mở cách nhau 60o được kích khởi bởi các xung. Điều khiển pha tạo ra các xung cho phép đầu ra chỉnh lưu thay đổi liên tục từ 0 đến giá trị lớn nhất được xác định bởi điện áp thứ cấp của máy biến áp và module card điều khiển chương trình. Tín hiệu hồi tiếp của điện áp và dòng ra được đưa đến card điều khiển để điều khiển đầu ra của chỉnh lưu. Đầu dương của Ampekế là một điểm chung của mạch hồi tiếp, đầu âm là của tín hiệu áp và đầu dương là tín hiệu dòng. 7.2. Mạch điều khiển: Bản mạch điều khiển bao gồm mạch điều chỉnh và mạch cảnh báo. Mạch kích khởi sẽ tạo ra các xung đưa đến hệ thống cầu 3 pha. Nó gồm 3 xung kép được tạo ra bởi 3 biến áp xung, và các xung này được đưa đến 6 chân điều khiển của Thyristor. Ba đồng hồ đo R,Y&B dùng để điều chỉnh cân bằng các pha nhằm tạo ra dạng sóng bằng phẳng ở đầu ra. Điều này được thực hiện tại nơi sản xuất và không nên điều chỉnh lại. Mạch điều chỉnh điện áp và dòng điện được tích hợp trên một IC nhằm mục đích là điều chỉnh điện áp trong trường hợp quá tải khi kết nối đến đầu ra của bộ sạc. Quá tải sẽ làm cho điện áp đầu ra của bộ sạc bị giảm thấp nhanh. Điện áp và dòng ra được khuyếch đại để so sánh; và khi có tín hiệu điện áp ra quá cao thì tín hiệu điều khiển sẽ điều mạch phát xung để thay đổi điện áp ra. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ NẠP I. Giới thiệu công nghệ: Uđ Uđb Acqui Tải Lọc Cầu 1 pha ĐX 32V 220V C Ti VĐK BA Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát Bộ sạc được thiết kế nhằm mục đích sạc điện cho acqui (2 bình), bao gồm 2 chế độ sạc, đó là chế độ tự động và chế độ bằng tay. + Chế độ tự động : Chế độ sạc phụ nạp (2,23V/cell) Chế độ nạp tăng cường (2,25V/cell). + Chế độ bằng tay: Gồm chế độ nạp cân bằng (2,4V/cell). Các thông số bộ nạp: Điện áp đầu ra: 24VDC Điện áp phụ nạp: 26,76V Điện áp nạp tăng cường: 27V Điện áp nạp cân bằng: 28,76V Cấu trúc bộ sạc gồm có các khối: Một máy biến áp lực 1pha (220V/32V) nhằm tạo điện áp thích hợp cho mạch chỉnh lưu. Mạch chỉnh lưu cầu điều khiển 1 pha đối xứng. Mạch điều khiển arccos nhằm tạo điện áp đồng bộ Uđb Khối vi điều khiển nhằm tạo điện áp điều khiển Uđk ứng với các chế độ sạc, đồng thời còn làm nhiệm vụ bảo vệ và cảnh báo. Mạch lọc gồm điện kháng lọc và tụ lọc nhằm nắn phẳng dòng, áp Và các hệ thống bảo vệ khác. II. Thiết kế bộ nạp: Phần 1: Thiết kế phần chỉnh lưu 1. Tính toán bộ nguồn và mạch chỉnh lưu: Bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện để sạc cho acqui và cung cấp cho phụ tải. Điện áp: Ud = 24V Dòng điện: Id = 10A Lựa chọn sơ đồ: R C R T2 C R T3 C R C R L L T4 T2 T1 220Vac C Sau khi phân tích đánh giá chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, nhiệm vụ chỉnh lưu chủ yếu ở đây là nạp cho acqui. Để phù hợp với thực tế nguồn điện sinh hoạt ta lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng. Hình3.2 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha Tính chọn thyristor: Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tải nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như dưới đây: Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu: Unmax = Knu.U2 = Knu.Ud/Ku Trong đó: + Ud, U2, Unmax: Điện áp tải, nguồn xoay chiều, ngược của van. + Knu, Ku : Các hệ số điện áp ngược, điện áp tải. Knu = √2; Ku = 2√2/π (Tra bảng 8.1 sách ĐTCS của Lê Văn Doanh) Unmax = π.24/2 = 37,68V Điện áp ngược của van cần chọn Unv = Kdtu.Unmax Trong đó: Kdtu: Hệ số dự trữ điện áp, chọn Kdtu= 1,8 Unv = 1,8.37,68 = 67,82 V Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng Ih = Ihd = Khd.Id Khd: Hệ số dòng điện hiệu dụng cầu 1 pha. Khd = 1/√2 = 0,71 ( tra bảng 8.2 sách ĐTCS ) Ih = 10. 0,71 = 7,1A Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt, không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng điện định mức của van cần chọn: Iđmv = Ki.Ih = 1,4.7,1=9,94A Ki : Hệ số dự trữ dòng điện, chọn Ki=1,4 Từ các thông số Unv, Iđmv theo phục lục 2 ta chọn 4 thyristor loại 5P4M có các thông số sau: Un = 80V Dòng điện ngược cực đại của van Idm = 13A Dòng điện định mức của van Ipk = 250A Điểm xung dòng điện Idk = 0,04A Dòng điện của xung điều khiển Ugmax = 3V Điện áp xung điều khiển Ir = 0,01A Dòng điện rò ∆u = 2,1V Sụt áp lớn nhất của thyristor ở trạng thái dẩn Tmax = 1250C Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép. Bảo vệ quá điện áp: Thyristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm 2 loại: Nguyên nhân nội tại: Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn (khoảng 10-100). Sự biến thiên nhanh chóng của các dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, các đường dây nguồn dẩn đến các thyristor. Qúa điện áp này là tổng của điện áp làm việc và L nói trên. Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẩu nhiên như khi có sét đánh, khi cầu chì bảo vệ nhảy, khi đóng, cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hoá máy biến áp, bây giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ, chuyển thành năng lượng điện trường chứa trong các tụ điện ký sinh, rất nhỏ, giữa dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp (1/2L.I2=1/2C.U2). Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RLC, bảo vệ riêng từng thyristor. Người ta thường chọn điện áp định mức của thyristor là U>=1,2Um. Trị số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với trị số cực đại của các qúa điện áp kể trên. Các quá điện áp có tốc độ tăng trưởng lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ điện C, đấu giữa anôt-catôt của thyristor, i=C. Điện cảm L hạn chế biên độ của dòng điện này. Khi mở thyristor, tụ điện C sẽ phóng qua thyristor, điện cảm L hạn chế dòng điện này. Các linh kiện bảo vệ có thể tính toán bằng công thức, nhưng trong thực tế người ta ưa dùng các trị số kinh nghiệm: C= 0.011 B= 10 L= 50 Tính toán máy biến áp: Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 220V Điện áp pha thứ cấp máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Udo.cosαmin = Ud + 2∆U +∆Udm +∆Uba Trong đó: Ud: Điện áp chỉnh lưu, Ud = 24V ∆Uv: Sụt áp trên các van, ∆Uv = 2,1 ∆Uba: Sụt áp trên các máy biến áp khi có tải bao gồm sụt áp trên điện trở và sụt áp trên các điện cảm. Lấy sơ bộ: ∆Uba = 6%.Ud = 0,06.24=1,44V αmin =0o. Từ phương trình của điện áp khi có tải ta có : Udo = Udo = = 29,64V Điện áp phía thứ cấp máy biến áp: Uα = Udo/Ku = π.29,64/2√2= 32.8V Ku =2: Hệ số điện áp chỉnh lưu (bảng 8.1sách ĐTCS của Lê Văn Doanh ) Sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos”: Trong sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos” có sử dụng một khâu tích phân OA1 và một khâu so sánh OA2. Đối với sơ đồ mạch, nhằm tăng số lượng xung kích mở, đảm bảo mở Tiristor một cách chắc chắn, ta sử dụng IC555 để phát xung chùm. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta chèn thêm một cổng AND với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm. Tải khuếch đại Từ chùm xung & Từ so sánh Vcc 0,1µF -12V OPC U3 100µF U2 4,7K +12V 0,47µF OA1 0,1µF OA2 Ucm 10K 4,7K V 12V~ 470µF 470µF 7912 7812 12K 10K 2 7 3 6 4 ~ 10K 2 7 3 6 4 1K AND 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 Hinh3.3. Sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos” Từ sơ đồ hình 1.2 ta có hoạt động của mạch phát xung arcoss. G K Tín hiệu đầu vào của OA1 là: U1 = Um.sinωt Tín hiệu đầu ra của OA1 là: U2 = -∫Um.sinωt.dt/CR =(Um/RC).cosωt Các điện áp U2 và Ucm (điện áp điều khiển) là hai đại lượng vào của khâu so sánh. Chọn Ucmax = Um/ ωCR = 10V Khi: Ucm = U2 ta c ó: cosα = Ucm/Ucmax Ở đầu ra của khâu so sánh OA2 ta nhận được chuổi xung chữ nhật. Tín hiệu này kết hợp với tín hiệu xung chùm của IC555 để đưa vào cổng AND, kết quả sẽ tạo ra tín hiệu Uf trên giản đồ xung. Uf Xđk ωt ωt ωt U3 U2 Ucm ωt 2π π O V ωt ωt Nhờ mạch R,C và điôt Đ ta có những xung dương điều khiển, chậm sau v(t) một góc α. Hình 3.3. Sơ đồ dạng sóng mạch phát xung arccos 2. Tính toán các thông số mạch điều khiển: Sơ đồ mạch điều khiển Arccos thực tế để điều khiển phát xung điều khiển Tiristor được cho như hình dưới. G3 K3 G4 K4 G2 K2 G1 K1 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 0,1µF -12V U3 100µF U2 4,7K +12V 0,47µF OA1 0,1µF OA2 Ucm 10K 4,7K V 12V~ 470µF 470µF 7912 7812 12K 10K 2 7 3 6 4 ~ 10K 2 7 3 6 4 1K AND 12V OPC 12V OPC -12V U3 100µF U2 4,7K 0,47µF OA1 OA2 Ucm 10K 4,7K 12K 10K 2 7 3 6 4 10K 2 7 3 6 4 1K AND 12V OPC 12V OPC Hình 3.5. Sơ đồ mạch phát xung arccos 2 kênh điều khiển Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các thông số cơ bản của mạch điều khiển. Điện áp điều khiển Ti : Udk = 3V Dòng điều khiển Ti : Ig = 0,04A Thời gian mở Ti : tm = 80µs Độ rộng xung điều khiển : 167µs, tương đương 30 điện Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12V Việc tính chọn mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại cuối cùng ngược trở lên. 3.1. Chọn phần tử ghép quang: Là loại optoTranzistor B817 có cấu trúc như hình dưới: Các thông số của B817 (TA = 25°C): Nhiệt độ hoạt động : –30°C to +100°C Khả năng chịu được sự quá nhiệt 260°C /10 s Dòng vào cực Anôt của 817 : IF = 50 mA Tổn hao công suất ở đầu vào: PI= 70 mW Dòng Colector : IC= 50 mA Điện áp giữa 2 cực C và E : VCEO= 35 V Điện áp giữa E và C : VECO= 6 V Công suất tiêu tán ở cực C : 150 mW Tổng công suất tiêu tán : 200 mW Điện trở cách điện : R=1011Ω Tính chọn điện trở nối vào cực 1 của opto: R > = = 240Ω Chọn R=1kΩ (=R5=R4=R22=R20) Tính chọn điện trở nối vào chân 4 của B817 (cực C). R = =240Ω Chọn R=R4=R6=R21=R23=1kΩ Để kích mở Ti, ta nối đầu ra của B817 một Tranzistor nhằm khuếch đại tín hiệu từ B817. Dòng kích mở yêu cầu Ig= 40mA =Ic. Chọn Transistor C1815 có các thông số:. C1815 Chọn Tranzitor công suất nối vào OPC là loại C1815 kiểu NPN, bán dẩn Silic để mở phần tử ghép quang với các thông số sau: Điện áp giữa colectơ và bazơ : UCBO = 60V Điện áp giữa colector và emitter : UCEO= 50V Điện áp giữa hai cực E và B : UBE = 5V Dòng điện lớn nhất ở colectơ : ICmax = 150mA. Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 400mW Hệ số khuếch đại : hEF = =70 ~700 Dòng điều khiển bazơ của trazitor : IB == =2.1 mA Nhiệt độ làm việc : -55 ~ +150 °C Như vậy cần đặt một điện trở ở đầu vào cực C của trazitor có thông số: R = == 80Ω R= R15=R26=R19=100Ω 3.2.Chọn Transistor nối vào chân 2 của OPC: Q1,Q2 Ta chọn loại 2 con C1815 như trên. 3.3. Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điều khiển sẽ dùng 2 cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS. Một IC có 4 cổng AND, các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = -0.3 ÷ 16V, ta chọn Vcc = 12V. Nhiệt độ làm việc : -400C ÷ +850C Điện áp ứng với mức logic”1”: 2 ÷ 4.5V Dòng điện : < 1mA Công suất tiêu thụ : P = 2.5nW / 1cổng 3.4. Chọn tụ C1, C3 và điện trở R1,R9 nối vào Q1,Q2: R1,R9 dùng để hạn chế dòng vào Q1,Q2.Chúng phải thoả mãn điều kiện: R1 = R9 ≥ = = 2kΩ Chọn R = 2kΩ Chọn R1*C1 = tx = 167µs. Suy ra C = ==0,0835µs Chọn C = 0,1µs(=100pF). 3.5. Chọn khuếch đại thuật toán: Mạch điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 1 IC loại LM324 của hãng Fairchild Semiconductor. LM324 Sơ đồ chân IC LM324 : Các thông số của LM324: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12V Điện áp vào : -0.3 ~ ± 32V Nhiệt độ làm việc : 0 ~ 70oC Công suất tiêu thụ : P = 1310 mW = 1,13W Tổng trở đầu vào : 106MΩ Dòng cung cấp : Icc = 1mA Dòng điện ra : Ira = 40mA 3.5. Tính chọn điện trở nối vào khâu so sánh: Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại LM324: Chọn R10 = R13 > = = 12 kΩ Trong đó nguồn nuôi Vcc = 12V thì điện áp vào khâu so sánh là Uv ≈ 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA Do đó ta chọn R10=R13=15kΩ, khi đó dòng vào khâu so sánh là: Ilvmax = = 0,8mA. 3.6 Tính chọn bộ tạo xung chùm: U 2 1 7 6 8 4 3 5 Ura R2 C 0.01µF IC555 R1 Muốn tạo xung chùm xung có tần số f== 3kHz hay chu kỳ của của xung chùm (chu kỳ tín hiệu ra): T = = 334µs Ta có: T = 0.693(R1 + 2R2)C Chọn C = 100pF=0,1µF, Suy ra T = 0,693(R1 +2R2)0,1=334 R1+ 2R2 = 4819Ω Chọn R1 là biến trở 200Ω, còn chọn R2 =5k. Phần 2. Thiết kế mạch vi điều khiển 1. Tổng quan về họ vi điều khiển 8051. 1.1 Sơ đồ khối chung của bộ vi điều khiển: Sơ đồ khối chung của hầu hết các bộ vi điều khiển là toàn bộ những phần nằm trong đường chấm trên hình1.1. Nó bao gồm bộ nhớ ROM và RAM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời gian, hệ thống ngắt và các bus được tích hợp trên cùng một chíp. Nguồn đồng hồ ngoài Ngắt ngoài Thiết bị nối tiếp Thiết bị song song Đồng hồ nội Timers Điều khiển ngắt Giao tiếp nối tiếp Giao tiếp song song CPU Bus dữ liệu, địa chỉ, điều khiển RAM ROM Hình 3.6: Sơ đồ khối tổng quát của một bộ điều khiển 1.2 Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit): Thanh ghi lệnh (IR) Khối điều khiển và giải mã lệnh Khối Logic và số học CPU Hình 3.7 Sơ đồ khối của CPU Các thanh ghi Bộ đếm chương trình ( PC) Là thành phần chính của một chíp vi điều khiển, nó quản lý tất cả hoạt động của bộ vi điều khiển, thực hiện các phép toán trên số liệu. Thực chất, nó chỉ là tập hợp các mạch logic nhằm thực hiện liên tục hai hoạt động chính là tìm lệnh và thi hành lệnh. Hình 3.7 mô tả các khối bên trong của CPU. Nó có một tập các thanh ghi dùng cho việc lưu trữ tạm thời các thông tin, khối số học và logic ALU (Arithmetic and Logic Unit) thực hiện các phép toán dựa trên các thông tin được lưu trong thanh ghi, khối điều khiển và giải mã lệnh (Instruction Decode and Contrrol Unit) xác định phép thi hành và chuẩn bị các hoạt động cần thiết để thực hiện lệnh đó có kết hợp với thông tin trong 2 thanh ghi phụ. Thanh ghi lệnh (Instruction Register) chứa mã nhị phân của mỗi lệnh được thi hành. Bộ đếm chương trình (Program Couter) lưu giữ địa chỉ trong bộ nhớ của lệnh cần thực hiện tiếp theo. 1.3 Bộ nhớ bán dẫn RAM và ROM (EPROM): Bộ nhớ dùng để lưu trữ chương trình và dữ liệu, có hai loại bộ nhớ là RAM và ROM. Chúng ta có thể phân biệt sự khác nhau giữa RAM và ROM dựa trên hai tính năng. - Thứ nhất, RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ cho phép đọc và ghi dữ liệu được, còn ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, trong một số chíp vi điều khiển còn sử dụng EPROM (Erasable Programmable ROM) là ROM lập trình có thể xoá được để thay thế cho ROM . - Thứ hai, dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi khi không cung cấp điện, còn dữ liệu trong ROM thì vẫn lưu lại khi không cấp nguồn cho nó. 1.4 Bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển: Bus là tập hợp các đường dây mang thông tin với cùng mục đích. Trong chíp vi điều khiển có 3 loại bus là bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Trong hoạt động đọc hay ghi, CPU xác định vị trí của dữ liệu bằng cách đặt một địa chỉ vào bus địa chỉ, rồi kích hoạt một tín hiệu trên bus điều khiển để chỉ thị hoạt động đó là đọc hay ghi. Hoạt động đọc sẽ lấy 1 byte dữ liệu từ bộ nhớ tại một vị trí xác định rồi đặt lên bus dữ liệu. CPU đọc dữ liệu này và đặt nó vào một trong các thanh ghi nội trú của CPU. Hoạt động ghi thì ngược lại, CPU lấy dữ liệu đưa ra bus dữ liệu. Nhờ có tín hiệu điều khiển, bộ nhớ nhận biết được đây là một hoạt động ghi và nó sẽ lưu dữ liệu trên vào vùng nhớ đã xác định nhờ địa chỉ mà CPU đã gởi tới nó từ trước. - Bus dữ liệu mang thông tin trao đổi giữa CPU và bộ nhớ, giữa CPU và thiết bị I/O. Độ rộng của bus dữ liệu đóng vai trò khá quan trọng trong vấn đề tăng tốc cho một bộ vi điều khiển, 8051có độ rộng bus dữ li