TỔ NG QUAN
Tình hình ngu ồn năng lượ ng th ự c t ế
Việt Nam đang đứng ở vị trí cao trong bảng xếp hạng tăng trưởng kinh tế toàn cầu, nhưng mức độ tăng trưởng này kéo theo nhu cầu năng lượng tăng nhanh chóng Mỗi năm, nhu cầu năng lượng của đất nước tăng gấp đôi, trong khi ngành năng lượng chỉ đáp ứng khoảng 60% yêu cầu Điều này khiến tiết kiệm năng lượng trở thành một nhu cầu cấp thiết Trong bối cảnh nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như than, dầu khí và thủy điện ngày càng khan hiếm và nguy cơ hủy hoại môi trường đang gia tăng, việc tiết kiệm năng lượng trở nên vô cùng quan trọng.
Nhận thức được tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là tiết kiệm điện, chúng em đã được thầy ThS Phan Thanh hướng dẫn thực hiện các biện pháp hiệu quả nhằm nâng cao ý thức về bảo vệ môi trường.
Chúng em đã thiết kế mạch điều khiển độ sáng cho đèn chiếu sáng công cộng, cho phép tự động điều chỉnh theo ánh sáng môi trường (đèn tự bật khi trời tối và tự tắt khi trời sáng) Mạch cũng có khả năng lập lịch để thay đổi công suất chiếu sáng: từ 18h đến 23h, đèn hoạt động ở mức 250w, và từ 23h đến 6h sáng hôm sau, công suất giảm xuống 150w Đề tài này nổi bật với tính tự động hóa cao, hệ thống điều khiển đơn giản, và dễ dàng trong lắp đặt cũng như vận hành.
Mục tiêu và hướng giải quyết đề tài
Đèn chiếu sáng công cộng, đặc biệt là đèn natri cao áp, hoạt động dựa trên nguyên lý phát sáng từ sự ion hóa khí natri trong bóng đèn Nguyên tắc điều khiển đèn bao gồm việc sử dụng mạch điện để điều chỉnh cường độ sáng và thời gian hoạt động, đảm bảo hiệu suất chiếu sáng tối ưu Việc hiểu rõ nguyên lý này không chỉ giúp cải thiện hệ thống chiếu sáng mà còn tiết kiệm năng lượng và tăng cường an toàn cho không gian công cộng.
- 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)
Sinh viên có thể vẽ sơ đồ mạch điều khiển và mô phỏng mạch cảm biến ánh sáng trên phần mềm Proteus Sau khi hoàn thành, họ sẽ tiến hành mua các linh kiện cần thiết và thực hiện đấu dây để chạy thử nghiệm.
Tính tối ưu của đề tài
- Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu
Tạo sự linh động và khả năng mở rộng cho sinh viên trong thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng công cộng là rất quan trọng, dựa trên thực tế từ quá trình tìm hiểu và nghiên cứu.
- Mạch điều khiển đơn giản, nhưng tiết kiệm điện năng.
Gi ới thiệu về phần mềm protues
Phần mềm Proteus là công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng mạch điện tử, bao gồm thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho các vi điều khiển như MCS-51, PIC, và AVR Nó bao gồm hai chương trình chính: ISIS, dùng để mô phỏng mạch, và ARES, hỗ trợ vẽ mạch in Để khởi động chương trình, bạn có thể truy cập theo đường dẫn: 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
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
Để đưa linh kiện vào vùng thiết kế, bạn cần chọn linh kiện và nhấn chuột trái trên vùng làm việc Khi nhấn chuột phải vào linh kiện, nó sẽ chuyển sang màu đỏ, cho biết rằng linh kiện đã được chọn Sau khi chọn, bạn có thể di chuyển linh kiện bằng cách thực hiện thao tác drag-and-drop, tức là nhấn chuột trái, giữ và di chuyển chuột đến vị trí mong muốn Để xoá linh kiện, chỉ cần chọn linh kiện và nhấn chuột phải một lần nữa để thực hiện thao tác xoá.
Để thêm linh kiện mới vào thanh linh kiện, nếu linh kiện chưa có sẵn, bạn cần truy cập thư viện hiện có bằng cách chọn menu Library > Pick hoặc nhấn phím P.
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
Tụ không phân cực: cap Đi-ốt: diode
Rơ le : animated relay model
Ic ổn áp: 78XX (XX là số) cuộn cảm : inductor
- Chuyển con trỏ chuột đến vị trí cần nối dây, trên con trỏ chuột sẽ xuất hiện dấu
- 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.
M ạch nguy ên lý
Mạch cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên quang trở để phát hiện ánh sáng từ môi trường xung quanh, như ánh sáng mặt trời Khi có ánh sáng mạnh, điện trở của quang trở rất lớn, dẫn đến không có dòng điện đi qua opamp Ngược lại, trong điều kiện tối, điện trở giảm và dòng điện bắt đầu chảy qua opamp.
Hình 2.4: Mạch mô phỏng khi trời tối, đèn sẽ sáng
Khi trời tối, quang trở không nhận được ánh sáng, dẫn đến điện trở trong quang trở tăng cao, làm cho dòng điện chỉ đi qua chân V(+) mà không qua quang trở Kết quả là điện áp tại chân V(+) lớn hơn V(-), khiến ngõ ra chân 7 đạt 1 (24V) và đèn LED mô phỏng sáng lên.
Mô phỏng ánh sáng được thực hiện bằng cách giảm dần cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở Khi trời tối, cường độ ánh sáng giảm, dẫn đến việc đèn LED mô phỏng sáng lên.
Hình 2.5: Mạch mô phỏng khi trời sáng, đèn tắt
Khi ánh sáng chiếu vào quang trở, điện trở của nó giảm, cho phép dòng điện đi qua quang trở mà không cần qua chân V(+), dẫn đến sự thay đổi điện áp tại chân.
V(+) < V(-) nên ngõ ra bằng 0 (0V), đèn led mô phỏng tắt
Mô phỏng quá trình tăng cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, trong điều kiện trời sáng, sẽ dẫn đến việc đèn LED mô phỏng tự động tắt.
Để thi công thiết kế mạch cảm biến ánh sáng, cần sử dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ mạch Trong sơ đồ, khối J1 đại diện cho relay, khối J2 là quang trở, và khối J3 cung cấp nguồn 24V.
M ạch 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.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Mạch toàn bộ hệ thống điều khiển
Mạch sử dụng quang trở làm cảm biến ánh sáng để tự động bật tắt đèn dựa trên ánh sáng môi trường Qua relay, mạch điều khiển điện cho đèn sáng, với timer được cài đặt từ 18h đến 23h cho đèn 250w và từ 23h đến 6h sáng hôm sau cho đèn 150w Trong mô hình nghiên cứu này, nhóm em chỉ đặt giờ trong vòng 3 phút để tượng trưng cho quá trình hoạt động.
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
Mạch cảm biến ánh sáng hoạt động với nguồn 24VDC, sử dụng quang trở để nhận diện ánh sáng từ môi trường Khi ánh sáng không đủ, quang trở cho phép dòng điện chạy tới relay 24VDC/220VAC Relay sẽ đóng tiếp điểm thường hở, cấp điện cho ballast Ngược lại, khi trời tối, quang trở ngăn dòng điện, không cung cấp nguồn cho relay, dẫn đến việc đèn không sáng.
Việc chuyển cấp của ballast được thực hiện thông qua relay 220VAC/220VAC, được điều khiển bởi timer Timer nhận nguồn từ chân số 8 của relay 24VAC và điều khiển relay qua chân 13 Khi timer hoàn thành thời gian đã định, relay 220VAC/220VAC sẽ đóng tiếp điểm còn lại, cho phép ballast chuyển sang công suất khác.
Tụ kích có vai trò quan trọng trong việc kích sáng cho đèn natri cao áp, giúp đèn hoạt động hiệu quả Mạch điều khiển này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng.
Hệ thống chiếu sáng thông minh và tiết kiệm điện năng có khả năng tự động hóa cao, cho phép tự động bật tắt đèn dựa trên mức độ ánh sáng từ môi trường xung quanh.
- Hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt, vận hành cũng như bảo trì sửa chữa
Chi phí đầu tư thấp nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về chiếu sáng và yếu tố kỹ thuật, giúp tiết kiệm một khoản ngân sách lớn cho Nhà nước.
- Tăng tuổi thọ cho các thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, ballast,…)
Giảm ô nhiễm môi trường không chỉ kéo dài tuổi thọ cho đèn và các thiết bị liên quan mà còn giúp giảm đáng kể số lượng bóng đèn và thiết bị chiếu sáng được sản xuất, từ đó bảo vệ môi trường và giảm lượng khí CO2 thải ra hàng năm.
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
Hình 3.4: Hình ảnh khi chạy thử mạch
M ạch cảm biến ánh sáng
Hình 3.5: Mạch cảm biến ánh sáng
LDR (quang điện trở) là một cảm biến ánh sáng đơn giản hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện Nguyên lý hoạt động của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, chẳng hạn như Cadmium sulfide (CdS), nó sẽ thay đổi điện trở, từ đó cho phép cảm biến phát hiện mức độ ánh sáng.
Cadmium selenide (CdSe) tạo ra các điện tử tự do, dẫn đến sự tăng cường dẫn điện và giảm điện trở của chất bán dẫn Đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR, nội trở của nó giảm xuống gần 0 ôm (mạch kín), nhưng khi ánh sáng ngừng, nội trở lại tăng lên vô cùng (hở mạch).
- 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)
- 2N2222: transistor nhận dòng kích từ chân 7 của opamp LM311N để cho dòng qua relay điều khiển đèn
Transistor là linh kiện điện tử được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn, tạo thành hai mối tiếp giáp P-N Khi các lớp được ghép theo thứ tự PNP, ta có Transistor thuận, còn nếu theo thứ tự NPN, ta có Transistor ngược.
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 kết nối thành ba cực, trong đó lớp giữa được gọi là cực gốc (B - Base) Lớp bán dẫn B có độ dày rất mỏng và chứa nồng độ tạp chất thấp.
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được kết nối với cực phát (Emitter - E) và cực thu (Collector - C) Cả hai vùng bán dẫn E và C đều thuộc cùng loại (N hoặc P), nhưng chúng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau, do đó không thể hoán vị cho nhau.
- 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
Relay là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, cho phép sử dụng dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn, do đó nó thường được sử dụng như một thiết bị bảo vệ cho công tắc Một rơle điển hình không chỉ điều khiển mạch mà còn quản lý nguồn điện.
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
Hình 3.7: Ứng dụng của relay
* Nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng:
Quang trở hoạt động dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài; khi có ánh sáng mạnh, electron tự do trong quang trở tăng lên, tạo ra dòng điện đi qua chân V(-) của opamp Khi V(+) nhỏ hơn V(-), ngõ ra chân 7 của opamp sẽ bằng 0V Ngược lại, khi ánh sáng yếu, nội trở trong quang trở tăng cao, dòng điện giảm xuống gần 0, dẫn đến V(+) lớn hơn V(-), làm cho ngõ ra thay đổi.
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.
M ạch bộ đ èn
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:
+Ballast hai cấp công suất: 250w/150w
+ Tụ bự hệ số cụng suất (nờn cú): 32àF, 25 àF, 20àF
- Nguyên tắc hoạt động của đèn sodium (natri cao áp): hơi natri với áp suất
Khi áp suất đạt 250mmHg ở nhiệt độ trên 1000 độ C, sẽ xảy ra hiện tượng bức xạ Đèn cao áp sử dụng sự phóng điện (hồ quang) giữa hai điện cực để tạo ra bức xạ và tia cực tím Những tia này tương tác với các kim loại như thủy ngân, natri và metal halide, sau đó va chạm vào lớp bột huỳnh quang để phát ra ánh sáng nhìn thấy.
Chấn lưu hai cấp công suất là loại chấn lưu điện từ được trang bị cuộn kháng phụ, giúp giảm công suất tiêu thụ của đèn Cuộn kháng phụ là một cuộn dây quấn trên cùng cực từ của cuộn dây chính, kết nối nối tiếp với cuộn dây chính, tạo thành chấn lưu với ba 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
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 ởđây em thay bộ chuyển đổi công suất thành khối relay).
- Tụ bù hệ số công suất
Tụ bù dùng để cải thiện hệ số cos φ, khi chưa lắp tụ bù hệ số cos φ là 0.5, lắp tụ bù hệ số cos φ được cải thiện lên 0.9
3.3.2 Đấu nối dây bộđèn sodium cao áp
Hình 3.11: Sơ đồ đấu dây của bộ đèn
Hình ảnh đấu nối dây bộ đèn chiếu sáng công cộng