Tổng quan chung về đề tài
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1 Giới thiệu về hệ thống lò nhiệt
Năng lượng nhiệt đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, được sử dụng trong nhiều quá trình công nghệ như nung nấu vật liệu và đúc gang thép Việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này là cần thiết, và lò điện trở đã trở thành một giải pháp phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ khả năng đáp ứng các yêu cầu thực tiễn Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất của lò điện trở là khả năng điều chỉnh và kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác.
Lò nhiệt là thiết bị khó điều khiển do hàm truyền có hai thành phần: quán tính bậc nhất và khâu trễ, gây ra nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thống điều khiển Bài báo này giới thiệu phương pháp phản hồi âm lặp kết hợp với khâu rơ-le, giúp khắc phục một phần nhược điểm của các phương pháp truyền thống Phương pháp đề xuất có khả năng tự dò hệ số PID của bộ điều khiển, từ đó đơn giản hóa quá trình tính toán thiết kế điều khiển lò nhiệt Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy thuật toán này có thể ứng dụng hiệu quả trong thực tế.
Hình 1: Mô hình tổng quan một hệ thống điều khiển PID
Lò điện trở là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt, truyền nhiệt đến vật cần gia nhiệt bằng bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt Thiết bị này thường được sử dụng để nung, nhiệt luyện và nấu chảy kim loại màu cùng hợp kim màu Để tối ưu hóa hiệu suất, việc thiết kế bộ điều khiển cho lò nhiệt là cần thiết nhằm đảm bảo quá trình điều khiển diễn ra nhanh chóng và chính xác.
Điều khiển kiểu ON-OFF sử dụng rơ-le nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ lò, với việc đóng ngắt khi nhiệt độ thấp hoặc cao hơn giá trị đặt Tuy nhiên, do quán tính của quá trình nhiệt, khi cắt điện, nhiệt độ vẫn có thể tăng thêm, và khi đóng điện, nhiệt độ có thể giảm, dẫn đến độ lệch nhiệt độ xấp xỉ từ vài đến 10% Ngược lại, điều khiển tương tự là hệ thống điều nhiệt điện tử cho phép điều chỉnh liên tục quá trình đốt lò qua khóa điện tử, giúp tự động điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID.
1.2 Nguyên lí hoạt động của lò nhiệt
Lò điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng điện chạy qua dây dẫn, nó sẽ sinh ra nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ, với công thức Q = I²Rt.
Q: lượng nhiệt tính bằng jun
R: điện trở t : thời gian tính bằng s
Từ công thức trên ta thấy R có thể đóng vai trò:
Vật nung: trường hợp này có thể gọi là nung trực tiếp
Dây nung là thiết bị truyền nhiệt cho vật nung thông qua các phương thức bức xạ, dẫn nhiệt hoặc phức hợp khi được nung nóng Quá trình này được gọi là nung gián tiếp.
1.3 Cấu tạo : Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung. 1.3.1 Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là khung cứng vững, đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng trong quá trình hoạt động Ngoài ra, vỏ lò còn giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo độ kín cho lò Đối với các lò sử dụng khí bảo vệ, vỏ lò cần hoàn toàn kín, trong khi đối với lò điện trở thông thường, mục tiêu chính là giảm thiểu thất thoát nhiệt và ngăn ngừa không khí lạnh xâm nhập, đặc biệt là từ chiều cao của lò.
Trong một số trường hợp đặc biệt, lò điện trở có thể không được thiết kế với vỏ bọc kín Vỏ lò cần phải có độ cứng vững đủ để chịu đựng tải trọng của lớp lót, vật nung bên trong và các thiết bị cơ khí gắn liền với vỏ lò.
Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v
Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v
Vỏ lò tròn có khả năng chịu lực tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi sử dụng cùng một lượng kim loại Đối với vỏ lò tròn, thép tấm dày từ 3 - 6 mm được sử dụng cho đường kính từ 1000 – 2000 mm, trong khi đó, vỏ lò có đường kính 2500 – 4000 mm cần thép tấm dày từ 8 – 12 mm, và đối với đường kính khoảng 4500 mm, độ dày thép tấm cần đạt từ 14 – 20 mm.
Để tăng cường độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta sử dụng các vòng đệm bằng thép hình Vỏ lò chữ ngật được xây dựng từ các thép hình U, L và thép tấm được cắt theo hình dáng phù hợp Tùy theo yêu cầu kín của lò, vỏ lò có thể được bọc kín hoặc không Phương pháp gia công chủ yếu cho loại vỏ lò này là hàn và tán.
Lớp lót lò điện trở bao gồm hai thành phần chính: vật liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt Vật liệu chịu lửa có thể được xây dựng bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch đặc biệt, tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của buồng lò Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các loại bột chịu lửa để tạo lớp lót cho lò.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:
Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò
Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc
Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc
Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn
Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung
Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa, với mục đích chính là giảm thiểu tổn thất nhiệt Đối với đáy lò, phần cách nhiệt cần có độ bền cơ học cao, trong khi các phần khác không yêu cầu mức độ bền tương tự.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu
Để đảm bảo tính ổn định về lý và nhiệt trong các điều kiện làm việc cụ thể, phần cách nhiệt có thể được xây dựng bằng gạch cách nhiệt hoặc được lấp đầy bằng bột cách nhiệt.
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại:
Dây nung phi kim loại
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
1.4 Phân loại: Lò điện trở được phân loại theo nhiều phương pháp
Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt:
Lò điện trở tác dụng trực tiếp.
Lò điện trở tác dụng gián tiếp.
1 Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 3 Biến áp; 4 Đầu cấp điện
5 Dây đốt (dây điện trở); 6 Vật liệu được nung nóng gián tiếp
Hình 2: Nguyên lý lò điện trở đốt nóng trực tiếp và gián tiếp
Phân loại theo nhiệt độ làm việc:
Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C.
Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C.
Phân loại theo nơi dùng:
Lò dùng trong công nghiệp
Lò dùng trong phòng thí nghiệm
Lò dùng trong gia đình.
Phân loại theo đặc tính làm việc:
Lò làm việc liên tục
Lò làm việc gián đoạn.
Hình 3: Đồ thị nhiệt độ các chế độ làm việc của lò điện trở a Lò liên tục b Lò làm việc có tính lặp lại c Lò gián đoạn
Phân loại theo kết cấu lò:
Hình 4a: Hình ảnh và kết cấu Hình 4b: Hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò buồng lò điện trở dạng lò giếng
1.5 Các yêu cầu đối với dây điện trở
Dây điện trở được sản xuất từ hợp kim Crôm – Niken (Nicrôm) có độ bền cơ học cao nhờ lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, đồng thời dẻo và dễ gia công Hợp kim này có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở nhỏ, thích hợp cho lò hoạt động dưới 1200°C Trong khi đó, hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran) có các đặc tính tương tự như Nicrôm, nhưng lại có nhược điểm là giòn, khó gia công và độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao.
Dây điện trở bằng kim loại thường sử dụng các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ Vật liệu điện trở nung nóng bằng cacbuarun (SiC) có khả năng chịu nhiệt độ cao lên đến 1450°C, thường được áp dụng trong các lò điện trở nhiệt độ cao để tôi dụng cụ cắt gọt Cripton, một hỗn hợp của graphite, cacbuarun và đất sét, được chế tạo thành hạt có đường kính 2-3mm, thường được sử dụng trong các lò điện trở trong phòng thí nghiệm với yêu cầu nhiệt độ lên đến 1800°C.
1.6 Ứng dụng trong thực tế
Cơ sở lý thuyết
Phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính của vật chất, vì vậy việc đo nhiệt độ là cần thiết trong nhiều quá trình kỹ thuật và trong cuộc sống hàng ngày Hiện nay, hầu hết các nhà máy và quy trình sản xuất công nghiệp đều yêu cầu có thiết bị đo nhiệt độ chính xác.
Các phương pháp đo nhiệt độ được phân loại dựa trên dải nhiệt độ cần đo, thường được chia thành ba loại: nhiệt độ thấp, trung bình và cao Tùy thuộc vào nhiệt độ cụ thể, sẽ có những phương pháp đo khác nhau được áp dụng.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp, phương pháp đo phổ biến là phương pháp tiếp xúc, trong đó các cảm biến được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo để thu thập dữ liệu chính xác.
Ở nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo.
1.1 Đo bằng phương pháp tiếp xúc
Trong ngành công nghiệp, phương pháp đo nhiệt độ phổ biến nhất là sử dụng các nhiệt kế tiếp xúc Hai loại nhiệt kế tiếp xúc thường gặp là nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550 độ đến
2000 độ hiện nay người ta thường sử dụng các ic bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các diode , tranzitor để đo nhiệt độ
Nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cần được thiết kế với cấu tạo phù hợp để đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt tối ưu với môi trường đo Việc lắp ghép các thành phần của chúng phải được thực hiện cẩn thận nhằm duy trì độ nhạy và chính xác trong quá trình đo nhiệt độ.
Đối với môi trường khí và nước chuyển đổi được đặt theo hướng ngược dòng chảy.
Khi đo nhiệt độ của vật rắn, cần đặt nhiệt kế sát vào vật để đảm bảo nhiệt lượng được truyền hiệu quả Việc này giúp tránh tổn hao cho vật, đặc biệt là với những vật dẫn nhiệt kém Do đó, điểm tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế nên được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.
Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt, cần cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo Thông thường, nhiệt điện trở với cáp nối ra ngoài được sử dụng để đảm bảo độ chính xác trong việc đo nhiệt độ.
1.2 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600 o C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trính quá độ nóng của cặp nhiệt Qúa trình quá độ khí đốt nóng cặp nhiệt có phương trình: Ө = f (t) = ∆ T (1- e 1 t )
Trong đó: Ө: Lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t
∆ T: Hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt t: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu
Dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và cặp nhiệt ngẫu, có thể xác định nhiệt độ của đối tượng mà không cần phải đạt đến nhiệt độ của đầu công tác Bằng cách nhúng cặp nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng thời gian 0,4 đến 0,6 giây, ta có thể thu được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ và từ đó tính toán nhiệt độ của môi trường.
1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng bằng mật độ phổ E, nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị điện tích của vật xảy ra trên một đơn vị độ dài của sóng Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn theo công thức:
Trong đó: C 1 , C 2 – hằng số Λ- Độ dài sóng
Cảm biến nhiệt độ
2.1 Các loại cảm biến đo nhiệt độ
Cặp nhiệt điện được cấu tạo từ hai dây kim loại khác nhau, được kết nối với nhau thông qua hai mối hàn Suất điện động e của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm các dây dẫn.
Cặp nhiệt điện là cảm biến đo nhiệt độ hoạt động dựa trên hiện tượng nhiệt điện, chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp Hiện tượng này xảy ra khi hai dây dẫn kim loại khác nhau được nối chặt ở hai đầu và được đốt nóng một đầu, tạo ra dòng nhiệt điện Sự hình thành dòng điện này có thể được giải thích qua hiện tượng khuếch tán điện tử tự do, bao gồm khuếch tán điện tử tại điểm tiếp xúc giữa hai dây dẫn và trong mỗi dây dẫn khi có sự chênh lệch nhiệt độ.
Khi hai dây dẫn khác nhau tiếp xúc, sự chênh lệch về số lượng điện tử tự do dẫn đến hiện tượng khuếch tán điện tử Dây có nhiều điện tử tự do sẽ khuếch tán nhiều hơn sang dây có ít điện tử, khiến dây đó thiếu điện tử và mang điện tích dương, trong khi dây còn lại thừa điện tử và mang điện tích âm Tại điểm tiếp xúc, sức điện động xuất hiện, với điện trường chống lại sự khuếch tán điện tử từ dây có nhiều điện tử sang dây có ít hơn Giá trị sức điện động phụ thuộc vào bản chất của hai dây dẫn và nhiệt độ, trong đó nhiệt độ cao làm tăng hoạt tính và khả năng khuếch tán của điện tử, dẫn đến giá trị sức điện động tăng lên.
Khi một đầu dây dẫn được đốt nóng, hoạt tính của điện từ tự do tại đầu nóng tăng lên, dẫn đến sự khuếch tán dòng điện từ đầu nóng sang đầu lạnh Kết quả là đầu nóng trở nên thiếu điện tử tự do, mang điện tích dương, trong khi đầu lạnh thừa điện tử tự do, mang điện tích âm Sự chênh lệch này tạo ra sức điện động giữa hai đầu dây dẫn.
Nhiệt điện trở bán dẫn, hay còn gọi là thermistor, được chế tạo từ các oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO, Mn2O3, NiO, được trộn lẫn theo tỉ lệ thích hợp và nén định dạng trước khi được đốt ở nhiệt độ 1000 độ C Khi nhiệt độ tác động, nồng độ điện tích tự do thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của nội trở Từ tính chất này, người ta đã phát triển loại cảm biến này.
Nhiệt kế điện trở là cảm biến đo nhiệt độ có khả năng đo trong khoảng từ -260 đến 7500°C, và trong một số trường hợp đặc biệt có thể lên tới 10000°C Nguyên lý hoạt động của nó dựa vào sự phụ thuộc của điện trở của vật dẫn hoặc bán dẫn vào nhiệt độ, được mô tả qua công thức: r(t) = f(r0, t).
Trong đó: r 0 : là điện trở ở 0 0 C r t : là điện trở ở t 0 C
Để một vật liệu có thể được sử dụng làm nhiệt kế điện trở, nó cần có hệ số nhiệt điện trở lớn và ổn định cùng với điện trở suất cao Trong ngành công nghiệp, hai loại nhiệt kế điện trở phổ biến nhất là đồng và bạch kim.
Nhiệt kế điện trở bán dẫn có nhược điểm chính là đặc tính phi tuyến tính, dẫn đến sự khác biệt lớn về điện trở định mức và đặc tuyến giữa các thiết bị Điều này khiến cho các nhiệt kế điện trở sản xuất hàng loạt cùng loại không thể thay thế cho nhau.
2.1.3 Cảm biến nhiệt độ vi mạch điện tử Đây là sự kết hợp của cảm biến nhiệt độ và các mạch điện tử tạo lên những vi mạch điện tử để làm cảm biến nhiệt độ ưu điểm của các cảm biến loại này là có đặc tính tuyến tính và có độ nhạy rất lớn nhược điểm là giới hạn đo không cao.
Vi mạch lm335: Đây là diod zenơ cảm biến nhiệt độ có giới hạn sử dụng từ -40 đến
Đặc tuyến của nó được mô tả theo công thức: u = 10.t (mv) = 2730 + 10.t (mv)
Vi mạch LM34 là một thiết bị đo nhiệt độ có khả năng hoạt động trong khoảng từ -50 đến 3000 °F (tương đương -45,6 đến 148,9 °C) Đầu ra của LM34 tỷ lệ với độ Fahrenheit và có độ nhạy là 10 mV/10 °F, mặc dù không hoàn toàn tuyến tính Thiết bị này không cần hiệu chỉnh bên ngoài và tiêu thụ dòng điện chỉ khoảng 70 mA Sai số đo của LM34 là ±1,50 °F trong toàn bộ thang đo và ±0,50 °F ở nhiệt độ phòng.
2.1.4 Cảm biến quang đo nhiệt độ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0 độ Kelvin đều phát ra bức xạ nhiệt Để đo nhiệt độ của các vật thể này thông qua bức xạ nhiệt, người ta sử dụng dụng cụ gọi là hỏa kế bức xạ, hay còn gọi một cách đơn giản là hỏa kế.
Bức xạ nhiệt là dạng bức xạ điện từ phát sinh từ nội năng của các chất, trong khi bức xạ huỳnh quang được tạo ra do tác động từ nguồn bên ngoài Đặc biệt, cường độ bức xạ nhiệt sẽ giảm đáng kể khi nhiệt độ của vật thể giảm xuống.
Hỏa kế là thiết bị lý tưởng để đo nhiệt độ từ 300 độ đến 6000 độ và thậm chí cao hơn Đặc biệt, để đo nhiệt độ lên đến 3000 độ, hỏa kế là phương pháp duy nhất không cần tiếp xúc với môi trường đo, giúp giữ nguyên độ chính xác của kết quả Phương pháp đo không tiếp xúc này mang lại nhiều ưu điểm và đảm bảo không làm sai lệch nhiệt độ của đối tượng cần đo.
2.2 Cấu tạo cảm biến nhiệt
Bộ phận cảm biến là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo khả năng chịu nhiệt của thiết bị Một bộ phận cảm biến kém chất lượng có thể gây ra nguy hiểm cho độ chính xác của toàn bộ hệ thống Sau khi được kết nối với đầu nối, bộ phận này được lắp đặt bên trong vỏ bảo vệ Các nguyên tố cảm biến với cuộn dây đôi cung cấp nhiều mức độ chính xác khác nhau.
Dây kết nối: kết nối của bộ phận cảm biến có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 2,
3 hoặc 4 dây; vật liệu dây phụ thuộc vào điều kiện sử dụng đầu dò.
Chất cách điện gốm: chất cách điện bằng gốm ngăn ngừa đoản mạch và cách điện các dây kết nối khỏi vỏ bảo vệ.
Phụ chất làm đầy được chế tạo từ bột alumina siêu mịn, đã qua quá trình sấy khô và rung, giúp lấp đầy mọi khoảng trống, từ đó bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
Các lưu ý khi sử dụng cảm biến nhiệt độ
Thiết bị cảm biến nhiệt độ là một phát minh quan trọng, mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp Việc sử dụng cảm biến để đo nhiệt độ đơn giản hơn so với các dụng cụ truyền thống Tuy nhiên, để hạn chế và khắc phục lỗi đo, cần hiểu rõ các nguyên nhân chính gây ra sai số trong quá trình đo.
3.1 Lỗi do phần tử cảm biến bị quá nhiệt
Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong quá trình đo khi bị dòng điện quá cao cắt ngang, hiệu ứng Joule khiến phần tử tăng nhiệt độ.
Sự tăng nhiệt của các thiết bị cảm biến nhiệt phụ thuộc vào loại yếu tố chính và điều kiện đo Ở cùng một nhiệt độ, độ bền nhiệt ít tự nóng lên hơn khi được đặt trong nước so với không khí, do hệ số phân tán nhiệt dưới nước cao hơn Các cảm biến thường sử dụng nhiệt điện trở với dòng đo cực thấp, nhưng cần lưu ý không vượt quá 1mA.
3.2 Thiết bị được cách điện kém
Cách điện giữa các dây dẫn và thiết bị là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo, đặc biệt là ở nhiệt độ cao Điện trở cách nhiệt hoạt động như một điện trở song song với các phần tử cảm biến nhiệt Khi cảm biến cách điện suy giảm ở cùng một nhiệt độ, điện áp đo trên phần tử cảm biến cũng sẽ giảm, dẫn đến sai số trong kết quả đo.
Khi sử dụng đầu dò ở nhiệt độ cao, sự rung động và lắc mạnh, cũng như ảnh hưởng từ các tác nhân vật lý và hóa học, có thể dẫn đến sự giảm điện trở cách điện.
3.3 Phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định Độ sâu ngâm nhúng của các phần tử cũng quan trọng không kém trong việc đảm bảo độ chuẩn xác của các phép đo Đặc biệt, nếu độ sâu của phần tử cảm biến không đủ thì có thể gây ra sai số trong phép đo lên đến vài độ C, và các phép đo có thể được xem là thất bại Chất liệu vỏ bọc thường được làm từ kim loại, bộ phận cảm biến được bảo vệ sẽ phân tán nhiệt theo tỷ lệ chênh lệch giữa nóng và lạnh Cảm biến nhiệt bên trong thiết bị có dải nhiệt phân tán theo một phần chiều dài vỏ bọc Vì vậy, cần ngâm nhúng đủ độ sâu để các bộ phận bên trong vỏ bọc không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch nhiệt độ Phần lớn độ sâu ngâm tối thiểu phụ thuộc vào các điều kiện đo vật lý và kích thước của độ bền nhiệt.
Bộ chuyển đổi nhiệt độ
4.1 Chức năng của bộ chuyển đổi nhiệt độ
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ kết nối với cảm biến như RTD, Thermistor và Thermocouple để truyền tín hiệu giám sát và điều khiển ở các vị trí khác nhau Thiết bị này thường giao tiếp với PLC, DCS, bộ ghi dữ liệu hoặc bộ hiển thị nhiệt độ nhằm đảm bảo hiệu quả trong quá trình quản lý nhiệt độ.
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc cách ly tín hiệu nhiệt độ, lọc nhiễu EMC, và khuếch đại tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ Nó chuyển đổi tín hiệu này thành dải 4-20mA hoặc 0-10V, giúp đơn giản hóa quá trình cài đặt và lựa chọn thang đo nhiệt độ với hai mức LOW và HIGH tương ứng.
Hình 6: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ làm nhiệm vụ đưa tín hiệu 4-20mA
Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ 4-20mA rất phổ biến trong ngành sản xuất, vì hầu hết các thiết bị công nghiệp sử dụng tín hiệu này Tín hiệu nhiệt độ có thể được điều chỉnh trong bộ phát nhiệt độ để phù hợp với yêu cầu ứng dụng, chẳng hạn như 4mA đại diện cho -17,7 °C (0 °F) và 20mA đại diện cho 37,7 °C (100 °F).
4.2 Bộ chuyển đổi nhiệt độ T120 (4-20mA)
Seneca T120 là bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng cho cảm biến nhiệt độ RTD, hỗ trợ hai loại cảm biến Pt100 và Ni100 Thiết bị này cho phép tùy chọn thang đo nhiệt độ từ -200 đến 650 độ C.
Cảm biến PT100 phát ra tín hiệu điện trở tuyến tính, nghĩa là điện trở sẽ thay đổi theo nhiệt độ Để chuyển đổi tín hiệu từ PT100 sang dạng có thể lập trình trong PLC, cần sử dụng bộ chuyển đổi nhiệt độ PT100 sang 4-20mA T120 Tín hiệu 4-20mA có ưu điểm vượt trội, cho phép truyền tải khoảng cách lên đến 500m mà không bị suy giảm hay sai số, điều này làm cho nó ưu việt hơn so với các tín hiệu 0-10VDC hay 1-5VDC.
4.3.Bộ chuyển đổi nhiệt độ 0-10v
Nhiều hệ thống và PLC cũ vẫn sử dụng tín hiệu 0-10V, vì vậy cần có bộ chuyển tín hiệu nhiệt độ Pt100 sang 0-10V để chuyển đổi nhiệt độ thành áp suất, giúp kết nối với PLC, biến tần và bộ hiển thị.
Hệ thống điều khiển
Mô tả toán học của lò nhiệt
Lò nhiệt hoạt động dựa trên điện áp cung cấp cho dây đốt, với ngõ ra là nhiệt độ của sản phẩm cần nung Lượng nhiệt không chỉ làm tăng nhiệt độ bên trong mà còn ảnh hưởng đến nhiệt độ ở bên ngoài, khiến cho việc thiết lập phương trình cân bằng trở nên khó khăn Để đơn giản hóa, chúng ta có thể coi môi trường nung là đồng chất và đẳng nhiệt, từ đó có thể xác định hàm truyền của lò.
Trong đó: P công suất cung cấp dưới dạng điện năng
K hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra ở trạng thái xác lập
T hằng số thời gian thể hiện quán tính của hệ thống
Theo thực nghiệm Ziegler – Nichols, hệ thống được đề xuất có khâu biểu diễn ở bậc cao do tính chất có độ trễ của lò nhiệt Khi xấp xỉ khâu quán tính bậc nhất có độ trễ, ta nhận được kết quả chính xác hơn trong việc điều khiển hệ thống.
Trong đó L thời gian trễ của lò nhiệt Khai triển taylor gần đúng ta được hàm truyền của hệ thống tuyến tính bậc 2
2 Phương pháp điều khiển on _ off Điều khiển on off chính là lặp lại trạng thái on off của hệ thống theo điểm đặt Ví dụ ngõ ra relay là on nếu nhiệt độ ở dưới điểm đặt và relay sẽ off khi nhiệt độ lò ở trên điểm đặt
2.1 Mô tả hoạt động on-off
Hệ thống điều khiển sử dụng relay ngõ ra để quản lý nhiệt độ trong lò Khi nhiệt độ trong lò thấp hơn điểm đặt, relay ngõ ra sẽ bật, cung cấp điện cho sợi nung Ngược lại, relay ngõ ra sẽ tắt khi nhiệt độ vượt quá điểm đặt Phương pháp điều khiển này, gọi là điều khiển on-off, cho phép duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn bằng cách điều chỉnh nguồn điện cho sợi dây nung Hoạt động này cũng được biết đến như điều khiển hai vị trí, liên quan đến hai trạng thái của biến đặt.
Khi ngõ ra relay bật hoặc tắt tại điểm chattering, hệ thống điều khiển có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu Điều này dẫn đến hiện tượng trễ giữa trạng thái on và off, được gọi là điều chỉnh độ nhạy Để đảm bảo hoạt động ổn định, cần tránh tần số on - off cao trong quá trình điều chỉnh độ nhạy.
Hình 7: Đặc điểm của Hunting
3 Phương pháp điều khiển PID
Bộ điều khiển PID, viết tắt của tỷ lệ - tích phân – vi phân, là một công cụ phổ biến trong việc điều khiển các hệ thống SISO dựa trên nguyên tắc sai lệch.
Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P)
Nếu e(t) chưa bằng 0 thì thong qua thành phần tích phân, PID vẫn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I)
Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng tích hợp x(t) càng nhanh ( vai trò của khâu D ).
Khâu P tạo ra tín hiệu tỉ lệ với giá trị sai lệch thông qua việc nhân sai lệch e với hằng số Kp, được gọi là hằng số tỉ lệ Công thức tính toán khâu P là: P out = Kp e(t).
Trong đó Pout giá trị ngõ ra
Kp hằng số tỉ lệ e: sai lệch
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo công thức: I out = K i ∫
Trong đó Iout giá trị ngõ ra khâu I
Ki hệ số tích phân e Sai số
Hình 10 : Sơ đồ khối khâu I
Khâu I thường đi kèm với khâu P hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động
Khâu D trong hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng bằng cách cộng thêm tốc độ thay đổi của sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Khi sai số biến đổi nhanh chóng, nó tạo ra thành phần bổ sung giúp cải thiện phản ứng của hệ thống Điều này cho phép hệ thống thay đổi trạng thái nhanh hơn và đạt được giá trị mong muốn Công thức tính khâu D là: D out = K D d dt e(t).
Trong đó: D out : Ngõ ra khâu D
K D : Hệ số vi phân e: Sai số
3.4 Điều khiển PID cho lò nhiệt
Tổng hợp ba khâu P, I, D ta được bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được mô tả bằng hàm truyền đạt sau: G(s) = K p + K i s + K d s=K p ( 1 + T 1 i s+T d s )
Ta có lò nhiệt có hàm truyền đạt: H(s) = k
Hình 12 : Đặc tính của lò nhiệt
Theo Nichols-Ziegler, các hằng số Kp, thời hằng tích phân Ti và hằng số vi phân Td của hàm hiệu chỉnh thích hợp được xác định dựa trên hàm truyền các thông số K, T1 và T2, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 1 : Hiệu chỉnh tham số PID theo phương pháp Nichols- Ziegler
Phương pháp điều khiển PID
Bộ điều khiển PID, viết tắt của tỷ lệ - tích phân – vi phân, là một công cụ phổ biến trong việc điều khiển các hệ thống SISO (đầu vào - đầu ra đơn) Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc sai lệch để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.
Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò của khâu P)
Nếu e(t) chưa bằng 0 thì thong qua thành phần tích phân, PID vẫn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I)
Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng tích hợp x(t) càng nhanh ( vai trò của khâu D ).
Khâu P tạo ra tín hiệu tỉ lệ với giá trị sai lệch, được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số Kp, hay còn gọi là hằng số tỉ lệ Công thức tính toán cho khâu P là: P out = Kp e(t).
Trong đó Pout giá trị ngõ ra
Kp hằng số tỉ lệ e: sai lệch
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo công thức: I out = K i ∫
Trong đó Iout giá trị ngõ ra khâu I
Ki hệ số tích phân e Sai số
Hình 10 : Sơ đồ khối khâu I
Khâu I thường đi kèm với khâu P hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động
Khâu D trong hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Khi sai số thay đổi nhanh, nó tạo ra thành phần cộng thêm, giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống Điều này cho phép trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và đạt được giá trị mong muốn Công thức tính khâu D là: D out = K D d dt e(t).
Trong đó: D out : Ngõ ra khâu D
K D : Hệ số vi phân e: Sai số
3.4 Điều khiển PID cho lò nhiệt
Tổng hợp ba khâu P, I, D ta được bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được mô tả bằng hàm truyền đạt sau: G(s) = K p + K i s + K d s=K p ( 1 + T 1 i s+T d s )
Ta có lò nhiệt có hàm truyền đạt: H(s) = k
Hình 12 : Đặc tính của lò nhiệt
Theo Nichols-Ziegler, các hằng số Kp, thời hằng tích phân Ti và hằng số vi phân Td của hàm hiệu chỉnh thích hợp được xác định tương ứng với hàm truyền các thông số K, T1, T2 thông qua bảng dưới đây.
Bảng 1 : Hiệu chỉnh tham số PID theo phương pháp Nichols- Ziegler
Xây dựng mô hình và chọn thiết bị
Xây dựng mô hình
1 Board Arduino Uno R3 ( Thiết bị điều khiển )
1 Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 13 : Sơ đồ đấu nối mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
Nguyên lý hoạt động : Arduino nhận giá trị trả về từ cảm biến nhiệt độ lm
So sánh giá trị 35 với giá trị đặt, sau đó sử dụng tín hiệu PWM để điều khiển độ mở của mosfet, từ đó điều chỉnh công suất của bóng đèn gia nhiệt.
2 Giới thiệu các thiết bị đo trong đề tài
Arduino là nền tảng nguyên mẫu mã nguồn mở, tích hợp phần mềm và phần cứng dễ sử dụng Nó bao gồm một bo mạch có thể lập trình, thường được gọi là vi điều khiển, cùng với phần mềm Arduino IDE (Môi trường phát triển tích hợp) để viết và nạp mã máy tính vào bo mạch vật lý.
2.1.1 Tính năng chính của các Arduino:
Các bo mạch Arduino có khả năng đọc tín hiệu tương tự (analog) và chuyển đổi chúng thành các đầu ra như kích hoạt mô-tơ quay, điều khiển đèn LED, kết nối mạng Internet, và thực hiện nhiều hoạt động khác.
Bạn có thể điều khiển các chức năng của bo mạch bằng cách nạp các tập lệnh vào vi điều khiển thông qua phần mềm Arduino IDE.
Không giống như bo mạch có khả năng lập trình trước kia, Arduino chỉ cần bạn sử dụng cáp USB để nạp mã vào trong bo mạch.
Hơn nữa, phần mềm Arduino IDE sử dụng phiên bản giản thể của C+ +, làm việc học lập trình nó trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại mạch Arduino với các loại vi điều khiển khác nhau Tuy nhiên, tất cả các bo mạch này đều có điểm chung là có thể lập trình thông qua Arduino IDE.
Sự khác biệt giữa các mạch điện nằm ở số lượng đầu vào và đầu ra, bao gồm số lượng cảm biến, đèn LED và nút bấm có thể sử dụng Ngoài ra, tốc độ và dòng điện hoạt động cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch.
Một số bo mạch được thiết kế cho mục đích nhúng và không đi kèm giao diện lập trình phần cứng, yêu cầu người dùng phải mua riêng Một số bo mạch có thể hoạt động trực tiếp với nguồn điện 3.7 V, trong khi những bo mạch khác cần tối thiểu 5V để hoạt động hiệu quả.
Dưới đây là danh sách các mạch Arduino khác nhau hiện có trên thị trường :
Tên mạch Nguồn hoạt động
Tốc độ Xung I/O số Số đầu vào analo g
Bảng 2.1 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA328
Tên mạch Nguồn hoạt động
Tốc độ xung I/O số Số đầu vào analo g
PWM UART Giao diện lập trình
Bảng 2.2 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA32u4
Tên mạch Nguồ n hoạt động
I/O số Số đầu vào analo ag
PWM UART Giao diện lập trình
Bảng 2.3 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển ATMEGA2560
Tên mạch Nguồn hoạt động
Tốc độ xung I/O số Số đầu vào analoa g
PWM UART Giao diện lập trình
Bảng 2.4 : Các bo mạch sử dụng vi điều khiển AT91SAM3X8E
2.1.3 Khả năng của các loại bo mạch :
Bo mạch Arduino sử dụng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel, với hai chip phổ biến là ATmega328 và ATmega2560 Các vi xử lý này hỗ trợ lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp nhờ cấu hình mạnh mẽ, bao gồm bộ nhớ ROM, RAM và Flash Bo mạch còn tích hợp nhiều ngõ vào ra digital I/O, trong đó có các ngõ xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp như UART, SPI, TWI (I2C).
EEPROM : 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)
SRAM : 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)
Flash : 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560) Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào :
Các bo mạch Arduino được trang bị cổng digital có khả năng cấu hình linh hoạt cho ngõ vào hoặc ngõ ra thông qua phần mềm Người dùng có thể tùy chỉnh số lượng ngõ vào và ngõ ra theo nhu cầu Cụ thể, mạch sử dụng vi điều khiển Atmega328 có tổng cộng 14 cổng digital, trong khi mạch sử dụng Atmega2560 sở hữu 54 cổng.
Các bo mạch Arduino được trang bị ngõ vào analog với độ phân giải 10-bit, cho phép phân chia thành 1024 mức, tương đương với khoảng 0.5mV khi sử dụng điện áp chuẩn 5V Bo mạch Atmega328 có 6 cổng vào analog, trong khi Atmega2560 có tới 16 cổng Tính năng đọc analog giúp người dùng có thể kết nối và thu thập dữ liệu từ nhiều loại cảm biến như cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro và accelerometer.
Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra :
Người dùng có thể cấu hình phần mềm để chọn cổng digital nào làm ngõ ra, tương tự như cách thiết lập các cổng vào Trên vi điều khiển Atmega328, tổng số cổng digital là 14, trong khi Atmega2560 có tới 54 cổng digital.
PWM output là một trong những tính năng quan trọng của các cổng digital, cho phép xuất tín hiệu điều chế xung PWM với độ phân giải 8-bit Các bo mạch Atmega328 hỗ trợ 6 cổng PWM, trong khi Atmega2560 có tới 14 cổng PWM được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, xử lý âm thanh và điều khiển động cơ, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ servos cho máy bay mô hình.
Giao tiếp nối tiếp (Serial) là chuẩn phổ biến trên các bo mạch Arduino, với mỗi bo được trang bị một số cổng Serial cứng, cho phép giao tiếp thông qua phần cứng trong chip Ngoài ra, các cổng digital còn lại cũng có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp bằng phần mềm nhờ vào thư viện chuẩn, giúp người dùng không cần viết code Mức tín hiệu của các cổng này là TTL 5V, trong khi cổng nối tiếp RS-232 trên thiết bị hoặc PC có mức tín hiệu 12V Để kết nối giữa hai mức tín hiệu này, cần sử dụng bộ chuyển mức như chip MAX232 Bo mạch Atmega328 có 1 cổng Serial cứng, trong khi Atmega2560 có 4 cổng Nhờ vào tính năng giao tiếp nối tiếp, các bo Arduino có khả năng kết nối với nhiều thiết bị khác nhau như PC, màn hình cảm ứng và các game console.
Các bo Arduino tiêu chuẩn được trang bị cổng USB để kết nối với máy tính, phục vụ cho việc tải chương trình Tuy nhiên, các chip AVR không tích hợp cổng USB, vì vậy các bo Arduino cần có thêm phần chuyển đổi từ USB sang tín hiệu UART.
Do đó máy tính nhận diện cổng USB này là cổng COM chứ không phải là cổng USB tiêu chuẩn.
SPI là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ với bus 4 dây, cho phép các bo Arduino kết nối dễ dàng với nhiều thiết bị như LCD, bộ điều khiển video game, cảm biến và đọc thẻ nhớ SD, MMC.
Giới thiệu các thiết bị đo trong đề tài
Điện áp hoạt động: 4~20VDC
Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
2.3.3 Ưu , nhược điểm của cảm biến nhiệt độ LM35 Ưu điểm :
Giá thành rất rẻ so với các cảm biến nhiệt độ công nghiệp.
Sai số thấp từ 0,2 o C tại 25 o C, tại max 150 o Csai số 1 o C Sai số chấp nhận được cho các ứng dụng không cần độ chính xác.
Kích thướt nhỏ gọn, dể dàng lắp đặt tại các không gian hẹp & board mạch.
Chỉ mang tính chất nghiên cứu là chủ yếu.
Cần có các main VXL để đọc được tín hiệu mV.
Không thể dùng trong công nghiệp thực tiễn.
2.3.4 Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ LM35 :
Cảm biến nhiệt độ LM35 có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng từ 2 đến 150 độ C, cung cấp tín hiệu analog từ 0mV đến 10mV/°C LM35 rất thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Đo nhiệt độ nguồn cấp trên board mạch
Giám sát nhiệt độ trong hệ thống HVAC
Được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ máy lạnh
Hay ứng dụng cho cảm biến nhiệt độ máy điều hoà
Cần chuẩn bị các dụng cụ sau:
1 cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến LM35 có 3 chân: nguồn Vcc, Grounf , Signal
VCC sẽ cắm 5V trên Arduino
Signal sẽ cắm vào A0 trên Arduino
Ground đương nhiên sẽ cắm vào Ground trên Arduino
Arduino Uno Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 20 : Sơ đồ đấu nối cảm biến nhiệt độ LM35
Bộ gia nhiệt được sử dụng trong đề tài là đèn sợi đốt và nguồn tổ ong.
2.4.1.1 Khái niệm : Đèn sợi đốt, còn gọi là đèn dây tóc là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng khi bị đốt nóng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánh sáng, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính của đèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được rút hết không khí và bơm vào các khí trơ Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơi nóng của nhiệt tỏa ra làm nổ Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn, dòng điện sẽ đi qua đuôi đèn, qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nóng lên và đến mức phát ra ánh sáng Đèn sợi đốt thường ít được dùng hơn vì công suất quá lớn quang năng, phần còn lại tỏa nhiệt nên bóng đèn khi sờ vào có cảm giác nóng và có thể bị bỏng) Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vôn đến 300 vôn.
Gồm sợi đốt, bóng thủy tinh và đuôi đèn :
Sợi đốt làm bằng Vonfram, chịu được nhiệt độ cao, có chức năng biến đổi điện năng thành quang năng.
Bóng đèn được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt, chịu được nhiệt độ cao, bảo vệ sợi đốt
Đuôi đèn, bao gồm đuôi xoáy E27, E14 và đuôi ngạnh B22, được chế tạo từ đồng hoặc sắt tráng kẽm, đảm bảo gắn chặt với bóng thủy tinh và có vai trò quan trọng trong việc kết nối với mạng điện cung cấp cho đèn.
Điện áp định mức của đèn sợi đốt thường dùng: 127 V, 220 V, 110 V.
2.4.1.4 Ưu , nhược điểm Ưu điểm
Chi phí đầu tư khá rẻ
Bóng đèn duy trì liên tục, ánh sáng tự nhiên, không bị ngắt như các loại bóng huỳnh quang do đó bảo vệ mắt khi sử dụng lâu dài.
Tỏa nhiệt gây cảm giác khô và nóng, khiến người dùng khó chịu khi ngồi học hoặc làm việc Tình trạng này dẫn đến mệt mỏi, nhức mắt và cảm giác chói lóa do ánh sáng không được phân bố đều trên bề mặt.
Tiêu hao điện năng, vì tới 80% điện năng chuyển thành nhiệt.
Độ bền thấp, không thích hợp di chuyển các vị trí vì dễ làm đứt các dây tóc
Nguồn tổ ong, hay còn gọi là nguồn xung, được đặt tên do lớp vỏ ngoài của mạch được thiết kế với các lỗ tản nhiệt giống như tổ ong Thiết bị này thực chất là bộ nguồn chuyển đổi dòng điện xoay chiều 220VAC thành nguồn điện một chiều, chuyên dụng cho các loại bóng đèn LED siêu sáng, đèn pha LED ngoài trời, và đèn LED âm nước.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại nguồn xung với kích thước và chủng loại đa dạng Một bộ nguồn tổ ong cơ bản sẽ bao gồm các linh kiện thiết yếu trên một board mạch.
Biến áp xung là một linh kiện được tạo thành từ nhiều cuộn dây thép khác nhau, quấn trên một lõi từ, tương tự như máy biến áp thông thường Tuy nhiên, biến áp xung thường sử dụng lõi thép kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Nguồn xung với biến áp hoạt động hiệu quả ở dải tần cao, vượt trội so với biến áp thông thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp Dù có kích thước tương đương, công suất của biến áp xung lại lớn hơn rất nhiều so với biến áp thường.
Cầu chì: linh kiện có tác dụng bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch
Bộ phận chính của hệ thống bao gồm cuộn chống nhiễu và tụ lọc sơ cấp Điốt chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi dòng xoay chiều 220VAC thành điện áp một chiều tích cực Sau đó, điện năng được tích trữ trên tụ lọc sơ cấp, cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung.
Sò công suất là các linh kiện bán dẫn như transistor, mosfet, IC tích hợp và IGBT, được sử dụng như công tắc chuyển mạch trong bộ xung Chúng có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung và sau đó truyền xuống mass.
Hình 21 : Cấu tạo nguồn tổ ong
Tụ lọc nguồn thứ cấp là bộ phận quan trọng trong mạch điện, có chức năng tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cung cấp cho tải tiêu thụ Khi cuộn sơ cấp bị ngắt điện liên tục, trường biến thiên sẽ tạo ra điện áp ở cuộn thứ cấp Điện áp này sau đó được chỉnh lưu qua các điốt và đưa vào tụ lọc thứ cấp nhằm làm phẳng điện áp đầu ra.
IC quang và IC TL431 là hai linh kiện quan trọng trong việc tạo ra điện áp ổn định, giúp điều chỉnh điện áp ra bên thứ cấp theo yêu cầu của người dùng Chúng đóng vai trò kiểm soát dao động cắt điện vào cuộn sơ cấp, đảm bảo rằng điện áp đầu ra bên thứ cấp luôn đạt tiêu chuẩn mong muốn.
Nguồn xung được thiết kế với cổng điện áp vào và ra dễ sử dụng, bao gồm hai cổng điện vào 220VAC cho 2 pha L – N, ba cổng 0V, ba cổng điện áp (+) và cổng đất cho thiết bị cần thiết Nguồn điện 2 chiều sẽ được chuyển đổi qua bộ xung, sử dụng tụ điện và sò công suất để cung cấp dòng điện một chiều.
2.4.2.4 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong cơ bản
Điện áp ngõ vào: 110/220 VAC Điện áp ngõ ra: 12 VDC
Nhiệt độ làm việc :0-70 độ C
2.4.2.5 Chức năng của nguồn tổ ong
Nguồn tổ ong được cấu tạo để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, giúp các thiết bị điện hoạt động
Nguồn tổ ong là một nguồn cung cấp điện phổ biến trong nhiều hoạt động sinh hoạt và sản xuất Bộ nguồn này đảm bảo hiệu suất tối đa cho công nghệ LED hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
Nguồn tổ ong là thiết bị quan trọng được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng như lắp đặt tủ điện, đèn, camera giám sát, máy tính và loa đài Nó cung cấp nguồn một chiều ổn định cho các thiết bị điện tử, đảm bảo dòng điện đủ mạnh để tránh tình trạng sụt áp và ảnh hưởng đến mạch điện.
