TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khái quát chung
Việc sử dụng năng lượng cần gắn liền với sự bền vững môi trường và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu Khi các nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch như than đá và dầu khí đang bị khai thác tối đa để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng, việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, gió, địa năng và thủy triều trở nên cấp thiết Đồng thời, việc tiết kiệm điện năng cũng đang được xem xét nghiêm túc và ngày càng phổ biến.
Tiết kiệm năng lượng là một vấn đề quan trọng toàn cầu, đặc biệt trong bối cảnh các quốc gia cần đảm bảo sự ổn định, tin cậy, an toàn và mỹ quan đô thị Đối với các đô thị và thành phố, việc tiết kiệm điện trở thành một yêu cầu thiết yếu Để đạt được mục tiêu này, Việt Nam cần áp dụng các biện pháp chiếu sáng hiện đại, sử dụng công nghệ mới nhằm tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đô thị và giao thông.
Mô hình hệ thống biến đổi năng lượng và đèn chiếu sáng công cộng
1.2.1 Mô hình hệ thống biến đổi năng lượng
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng DC/AC
- Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
- Cung cấp nguồn xoay chiều 220V – 50Hz ổn định
Bảng 1.1 Thành phần của mô hình biến đổi năng lượng
Pin mặt trời 12V-15W Pin mặt trời 12V-70W Ắcquy 12V-5Ah Ắcquy 12V-25Ah
Bộ sạc ắcquy 5Ah Bộ sạc ắcquy 25Ah
Bộ inverter DC/AC (12VDC/220VAC-
Bộ inverter DC/AC (12VDC/220VAC- 300W)
Pin mặt trời cung cấp điện một chiều DC 12V, được nạp vào ắc quy qua bộ sạc Bộ inverter chuyển đổi nguồn DC 12V thành nguồn xoay chiều 220V-50Hz.
Trong quá trình hoạt động, pin mặt trời cung cấp điện áp một chiều đầu vào Khi hệ thống sạc pin, điện áp cao sẽ được truyền xuống pin để sạc Khi pin đã được sạc đầy, bộ sạc sẽ chuyển sang chế độ chờ.
Bộ đổi điện DC/AC chuyển đổi điện áp một chiều DC thành đầu ra xung điện áp gần giống hình sin Mục tiêu chính của bộ đổi điện là cung cấp điện áp đầu ra với tần số xác định bởi tín hiệu tham chiếu Tín hiệu tham chiếu hình sin được so sánh với sóng tam giác đối xứng, từ đó tạo ra độ rộng xung được điều chế.
Dải xung là đầu vào cho 1 bộ lọc L-C, tạo ra một điện áp dạng hình sin cung cấp cho tải
Khi nguồn đầu vào 12V DC từ pin mặt trời không được cung cấp vì lý do nào đó, hệ thống vẫn đảm bảo cung cấp nguồn xoay chiều 220V ổn định cho tải.
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống biến đổi năng lượng AC/DC
Biến đổi nguồn xoay chiều 220V–50Hz sang nguồn điện một chiều 12V là cần thiết để cung cấp năng lượng cho mạch điện tử và các thiết bị điện tử, vì hầu hết các thiết bị này hoạt động với điện áp một chiều.
1.2.2 Mô hình hệ thống đèn chiếu sáng công cộng
Hình 1.3 Mô hình đèn chiếu sáng công cộng
Hệ thống đèn chiếu sáng công cộng đã có lịch sử phát triển lâu dài và hiện nay được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới Một mô hình đèn chiếu sáng công cộng bao gồm hai phần chính: hệ thống đèn và hệ thống cung cấp nguồn điện Các phương án thiết kế được sử dụng cho hệ thống này rất đa dạng và phong phú.
Đèn chiếu sáng được chia thành hai loại chính: đèn bình thường và đèn có cảm biến Ngoài ra, các loại đèn còn được phân loại theo công nghệ chiếu sáng, bao gồm đèn Halogen và đèn cao áp, trong đó có đèn sáng trắng và đèn hơi.
15 thủy ngân/ Đèn sáng vàng chống sương mù – hơi natri, hơi meltan), đèn Compact và đèn Led
+ Nguồn cung cấp: Gồm 2 loại chính là: Năng lượng tự nhiên (Pin mặt trời, tuabin gió ) và nguồn lấy từ điện lưới
Với sự phát triển liên tục của khoa học và công nghệ, hệ thống đèn chiếu sáng ngày nay không chỉ đơn thuần phục vụ mục đích chiếu sáng mà còn phải đảm bảo tính thẩm mỹ, tích hợp công nghệ tiên tiến, sử dụng năng lượng tái tạo và tiết kiệm điện năng Các chức năng chính của hệ thống chiếu sáng có thể bao gồm nhiều ứng dụng đa dạng, đáp ứng nhu cầu hiện đại.
+ Chiếu sáng theo lượng người lưu thông trên đường
Chức năng phản hồi lại tổng đài ( khi có bộ phận hư hỏng cần sửa chữa)
Chức năng dò tìm hư hỏng theo khu vực
Tận dụng nguồn pin để sạc laptop, PDA, ĐTDĐ… (có quản lý)
Chỉ đường, truy cập internet, báo động,…
Hệ thống chiếu sáng công cộng trên thế giới có nhiều chức năng quan trọng, và Việt Nam cũng đang áp dụng các công nghệ chiếu sáng hiện đại cho hệ thống đèn đường Các đèn đường không chỉ giúp tăng cường an ninh và an toàn giao thông mà còn góp phần cải thiện mỹ quan đô thị Việc nâng cấp và bảo trì hệ thống chiếu sáng là cần thiết để đảm bảo hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng.
- Hệ thống đèn đường sử dụng bóng compact/ sợi đốt
- Chế độ điều khiển đóng ngắt thủ công
- Các cột đèn hoạt động độc lập
- Quản lý, bảo dưỡng hệ thống thủ công
Hệ thống đèn chiếu sáng đường phố mà tôi thiết kế sử dụng năng lượng tái tạo và tiết kiệm điện năng, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả chiếu sáng, bảo vệ môi trường và giảm chi phí năng lượng.
Mục đích 1: Xây dựng hệ thống đèn sử dụng công nghệ theo hướng tiết kiệm điện năng:
+ Đầu ra: Sử dụng bóng led, compact,
+ Năng lượng: Dùng năng lượng từ tự nhiên: mặt trời, gió,
+ Cảm biến: Sử dụng cảm biến ánh sáng để hệ thống hoạt động theo môi trường
Dùng công nghệ Led và năng lượng mặt trời, sử dụng sensor quang
Mục tiêu thứ hai là phát triển một hệ thống thông minh, hoạt động tiết kiệm năng lượng, có khả năng tự động chuyển sang sạc ắc quy bằng điện lưới khi lượng ánh sáng mặt trời không đủ.
Hệ thống này có khả năng điều chỉnh chế độ hoạt động dựa trên môi trường xung quanh và cung cấp dòng điện 220V-50Hz cho các nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
Sơ đồ khối cho một cột đèn chiếu sáng như sau:
Inverter DC/AC Điện 220V/ 50Hz
Mạch điều khiển led Led Điện lưới
Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng đường phố
Hệ thống xây dựng sẽ bao gồm các thành phần:
- Pin mặt trời cung cấp nguồn DC 12V
- Bộ chuyển đổi năng lượng (Bộ sạc, Inverter DC/AC, Ắc quy)
- Bộ nguồn cung cấp (Cung cấp nguồn 12V cho đèn LED)
- Mạch điều khiển đèn LED
- Led siêu sáng và tản nhiệt
- (Tất cả mô hình đều được làm với tỉ lệ 1:5 so với thực tế)
Một số hình ảnh thực tế
Hình 1.5 Các loại cột đèn và hệ thống chiếu sáng trong thực tế
Nguyên lí của hệ thống
Các cột đèn hoạt động độc lập với nhau Mỗi cột đèn sẽ được gắn một hệ thống các đèn led, 1 mạch điều khiển
Ban ngày ánh sáng từ pin mặt trời chuyển đổi thành điện năng thông qua bộ sạc được sạc và lưu lại acquy
Ban đêm năng lượng này thông qua bộ điều khiển led nằm cũng cấp năng lượng cho led để phát sáng
Thời gian hoạt động của đèn được điều chỉnh hoàn toàn dựa vào cảm biến ánh sáng và vi điều khiển, giúp đèn hoạt động hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch giữa các mùa trong năm và thời gian sáng tối trong ngày.
Vi điều khiển sẽ được lập trình để tự động tắt các cột đèn lẻ lúc 12h đêm nhằm tiết kiệm năng lượng Vào buổi sáng, cảm biến ánh sáng sẽ kích hoạt để tắt các cột đèn còn lại Trong điều kiện khí hậu tại Việt Nam, nếu không có ánh sáng trong nhiều ngày liên tiếp, hệ thống sẽ vẫn hoạt động hiệu quả để tiết kiệm điện năng.
Khi acquy không đủ điện để cung cấp cho hệ thống đèn LED vào ngày 18 nắng, nguồn điện lưới sẽ được sử dụng như phương án dự phòng để nạp lại acquy.
Hệ thống này được trang bị bộ chuyển đổi DC-AC tại các cột đèn, cho phép cung cấp dòng điện xoay chiều 220V – 50Hz phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Chức năng từng khối của hệ thống
Nguồn điện sử dụng trong hệ thống là nguồn điện một chiều từ bình ắc quy, được điều chỉnh bằng ổn áp để duy trì điện áp đầu vào của khối tạo dao động ổn định, bất chấp sự thay đổi của điện áp từ bình ắc quy.
Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy Công thức tính công suất phát của acquy như sau: P = U.I
1.5.1.1 Pin Mặt trời a) Chức năng
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, có khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Các tấm pin này thường được lắp đặt thành dàn, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào, chúng hấp thụ năng lượng và tạo ra dòng điện một chiều Dòng điện này được dẫn đến bộ điều khiển, thiết bị điện tử giúp điều hòa quá trình nạp điện vào ắc-quy và cung cấp nguồn cho các thiết bị điện một chiều như bộ vi điều khiển và đèn LED chiếu sáng đường phố Ưu điểm của pin mặt trời bao gồm khả năng tái tạo năng lượng bền vững và giảm thiểu chi phí điện năng.
Silicon là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong hầu hết các tấm pin mặt trời, và nó rất phổ biến do nguồn gốc từ cát bãi biển Các tấm pin mặt trời không chỉ hiệu quả mà còn đáng tin cậy, góp phần quan trọng vào việc sản xuất năng lượng tái tạo.
“Nhiên liệu” mà chúng sử dụng – ánh sáng mặt trời – có sẵn dồi dào Đó là nguồn tài
19 nguồn năng lượng tái tạo sẽ tồn tại gần như mãi mãi, với mặt trời sẽ tiếp tục tỏa sáng trong hàng tỉ năm tới Hơn nữa, các tấm pin mặt trời có khả năng sản xuất điện ngay tại nơi sử dụng, giúp loại bỏ nhu cầu về dây dẫn hay cáp nối để chuyển điện từ các nhà máy điện xa xôi.
- Các tấm pin mặt trời có độ tin cậy cao, hầu như không phải bảo trì
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, với chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng Khi vận hành, các tấm pin mặt trời không gây tác động xấu đến môi trường, không phát thải bụi hay khí độc hại vào không khí, không làm ô nhiễm nguồn nước và không sản sinh chất thải nguy hiểm.
Việt Nam được thiên nhiên ưu ái với nguồn năng lượng tái tạo phong phú, đặc biệt là năng lượng mặt trời, nhờ vào vị trí địa lý thuận lợi từ vĩ độ 23°23’ Bắc đến 8°27’ Bắc Khu vực này có cường độ bức xạ mặt trời cao, với thành phố Hồ Chí Minh là nơi có tiềm năng lớn nhất, tiếp theo là các tỉnh Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và vùng Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh.
Phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời không chỉ giúp thay thế nguồn năng lượng hóa thạch mà còn giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng quý giá, có khả năng thay thế những nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Trên thế giới, nhiều quốc gia đã áp dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp bền vững; ví dụ, tại Đan Mạch, hơn 30% hộ dân đã sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời từ năm 2000 để làm nóng nước Ở Brazil, năng lượng mặt trời chiếm ưu thế ở những vùng xa xôi như Amazon, trong khi tại Đông Nam Á, Philippines đã sử dụng điện mặt trời để cung cấp nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích, pin mặt trời cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Pin mặt trời có rất nhiều ưu điểm, nhưng không phải là không có những nhược điểm cần lưu ý:
- Vốn đầu tư ban đầu cao, trong nhiều trường hợp, tổng chi phí lắp đặt pin mặt trời còn có thể cao hơn điện lấy từ lưới điện
- Tốn nhiều diện tích để lắp đặt
Để pin mặt trời hoạt động hiệu quả, cần có đủ ánh nắng Trong môi trường có ít ánh nắng, số lượng tấm pin mặt trời cần thiết sẽ tăng lên để đảm bảo hiệu suất sử dụng.
Pin mặt trời là nguồn năng lượng "nhiên liệu" không thể lưu trữ qua đêm và không thể vận chuyển từ nơi khác Để sử dụng điện khi không có ánh sáng mặt trời, các thiết bị điện cần được kết nối với ắc-quy để dự trữ năng lượng.
Các nhà máy sản xuất pin mặt trời tạo ra rất ít chất thải độc hại, nhưng vẫn tồn tại một lượng nhỏ Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính giúp chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả.
Hình 1.6 Cấu tạo tấm pin mặt trời
[1] Anti – reflective glass: lớp kính chống phản quang
Cho phép ánh sáng chiếu qua mà không bị phản xạ ngược trở lại do thay đổi chiết xuất
[2] EVA – encapsulant: Lớp bảo vệ cell trên
Lớp bảo vệ có vai trò quan trọng trong việc cách ly cell pin khỏi môi trường bên ngoài, giúp duy trì điều kiện tối ưu cho cell pin và kéo dài tuổi thọ của nó một cách hiệu quả.
[3] Solar PV cells: các cell pin mặt trời
21 Được cấu tạo từ 1 chuyển tiếp P-N, có chức năng biến đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượn điện
[4] EVA – encapsulant: Lớp bảo vệ cell dưới
Lớp bảo vệ có chức năng cách ly cell pin với môi trường, đảm bảo cho cell ở
Là một gương có chức năng phản xạ ngược trở lại ánh sáng tới
[5] Heat exchanger: Lớp tản nhiệt
Có chức năng tản nhiệt cho cell pin, không để nhiệt độ cell quá cao gây giảm hiệu năng của cell
[6] Insulation: Lớp vật liệu cách nhiệt
Khung nhôm định hình siêu mạnh được thiết kế với gân chụi lực, giúp chịu tải trọng nặng và chống trầy xước hiệu quả Bên cạnh đó, khung còn được mạ Anot điện hóa, đảm bảo khả năng chống lại môi trường muối biển và sự ăn mòn.
Lớp phủ chống phản chiếu
Kính năng lượng mặt trời được thiết kế để tối ưu hóa khả năng thu nhận quang năng từ ánh sáng, giúp tăng hiệu suất Bề mặt kính có tính năng chống phản xạ và tự làm sạch, ngăn ngừa hiện tượng hao hụt công suất do bụi bẩn Các thông số kỹ thuật của tấm pin năng lượng mặt trời cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của tấm pin sử dụng
Thông số kỹ thuật Mô hình Thực tế
Công suất (𝑃 𝑚𝑎𝑥 ) 15W 75W Điện áp danh định (𝑈 𝑚𝑝 ) 17.3V 17.3V
Kích thước (mm) 360 x 415 x 17 (mm) 675 x 774 x 35 (mm)
Tuổi thọ tấm pin 25 năm
Hình 1.7 Ắc quy tích điện
Ắc quy là thiết bị điện có khả năng lưu trữ năng lượng và có thể được tái sử dụng nhiều lần thông qua việc sạc lại bằng cách cắm vào bộ sạc Trong quá trình hoạt động, ắc quy liên tục tích trữ và phóng điện.
Ắc quy là nguồn năng lượng phổ biến và đa dạng, với chi phí hợp lý và kích thước phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn ắc quy làm nguồn cấp cho mạch nghịch lưu.
- Mạch sử dụng nguồn 1 chiều do ắc quy cung cấp Thời gian sử dụng phụ thuộc vào dung lượng dự trữ của ắc quy
Kết luận
Chương này trình bày mô hình hệ thống biến đổi năng lượng và ứng dụng chiếu sáng tiết kiệm điện năng mà đồ án của tôi phát triển Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời giúp tận dụng nguồn tài nguyên sạch, bền vững và gần như vô tận, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên có hạn, góp phần bảo vệ môi trường Đây là một hướng đi đúng đắn, với nhiều tiềm năng cần được khai thác trong tương lai.
NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
Nguồn điện một chiều (Direct Current – DC)
Nguồn điện một chiều cung cấp năng lượng cho mạch điện tử và các thiết bị điện tử, vì hầu hết các thiết bị này hoạt động hiệu quả với điện áp một chiều.
Nguồn điện sử dụng trong hệ thống này là nguồn một chiều từ bình ắc quy, kết hợp với ổn áp để duy trì điện áp đầu vào ổn định cho khối tạo dao động, bất chấp sự biến đổi của điện áp từ ắc quy.
Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy Công thức tính công suất phát của acquy như sau: P = U.I
Các nguồn điện một chiều:
Điện lưới 220VAC/50Hz biến đổi thành UDC cần thiết
Chúng ta tập trung vào các phương pháp tạo UDC từ lưới điện xoay chiều
Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ biến đổi AC-DC
Có hai phương pháp chính:
Nguồn tuyến tính (cổ điển)
Các thông số của nguồn một chiều
Hệ số gợn sóng: Là tỉ số giữa biến thiên điện áp ra lớn nhất và điện áp trung bình raMax GS raTB
Hình 2.2 Hệ số gợn sóng
Do biến đổi từ điện lưới (hình sin) chưa triệt tiêu hết
Do nhiễu công nghiệp giữa các thiết bị dùng chung điện lưới
Do xung dao động (nguồn xung) chưa triệt tiêu hết
Kí hiệu ξ nguồn một chiều:
Theo công thức phân áp, ta có: n ra n
Vậy chỉ số rn càng nhỏ càng tốt
Nguồn tuyến tính
Hình 2.4 Sơ đồ khối nguồn 1 chiều tuyến tính
Hình 2.5 Biểu đồ dạng tín hiệu điện áp đầu ra tại các khối
Chuyển đổi mức điện áp xoay chiều đầu vào thành mức thích hợp
Trong mạch nghịch lưu, Np và Ns đại diện cho số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, đây là phần quan trọng nhất của khối mạch.
Hình 2.7 hình dạng của biến áp Tùy theo yêu cầu mà biến áp có thể có nhiều vòng dây khác nhau
Máy biến áp là thiết bị sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số.
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:
Máy biến áp bao gồm hai cuộn dây với số vòng khác nhau, quấn trên một lõi sắt kín Lõi này thường được chế tạo từ các lá sắt hoặc thép pha silic, được ghép cách điện nhằm giảm thiểu hao phí điện năng do dòng Fu-cô Các cuộn dây thường được làm bằng đồng và được cách điện với nhau cũng như với lõi.
Hoạt động của máy biến áp (MBA) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó cuộn sơ cấp được kết nối với nguồn điện xoay chiều, trong khi cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện năng Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, dẫn đến sự xuất hiện của suất điện động xoay chiều trong cuộn thứ cấp Khi mạch thứ cấp kín, dòng điện sẽ chạy trong cuộn thứ cấp.
Với N1 là vòng dây cuộn sơ cấp, N2 là vòng dây cuộn thứ cấp ta thấy: Nếu N2 >
Máy biến áp được phân loại thành máy tăng áp và máy hạ áp dựa trên số vòng dây của cuộn sơ cấp (N1) và cuộn thứ cấp (N2) Nếu N1 lớn hơn N2, điện áp thứ cấp (U2) sẽ cao hơn điện áp sơ cấp (U1), tạo thành máy tăng áp Ngược lại, nếu N2 nhỏ hơn N1, U2 sẽ thấp hơn U1, gọi là máy hạ áp Khi hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể, công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và thứ cấp có thể được coi là bằng nhau.
Do đó, MBA làm tăng điện áp lên bao nhiêu lần thì giảm cường độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại
Giả sử cần công suất đầu ra là: P 0 = 100W
- Lấy hiệu suất biến áp là n = 0.8, ta có công suất ở cuộn sẽ là:
- Dòng qua cuộn sơ cấp :
- Xác định tiết diện S của lõi thép
Vậy ta chọn biến lõi sắt biến áp có thiết diện 3cm x 4cm
- Số vòng ứng với 1 volt cuộn sơ cấp ( N0 ):
(2.9) Ở cuộn thứ cấp phải nhân với hệ số hao hụt (chọn 1,1)
- Số vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp
Số vòng dây cuộn sơ cấp: n1 = 12 x 3 = 36 (vòng) (2.11)
Quấn 2 cuộn dây 36 vòng có điểm chung ở giữa
Số vòng dây cuộn thứ cấp: n2 = 220 x 3,3 = 726 (vòng) (2.12)
Phần tử dùng để chỉnh lưu là điốt
Tùy theo các cách mắc điốt và dạng điện áp ra, ta có các loại chỉnh lưu sau:
Hình 2.8 Chỉnh lưu nửa chu kì
Hình 2.9 Chỉnh lưu 2 nửa chu kì – biến áp có điểm chung
Hình 2.10 Chỉnh lưu 2 nửa chu kì – điốt cầu
2.2.4 Khối lọc phẳng điện áp
Sau chỉnh lưu thì hệ số gợn sóng KGS lớn, khối lọc phẳng giúp giảm KGS rất nhiều
Mắc tụ C song song với điện áp sau chỉnh lưu:
Hình 2.11 Khối lọc phẳng điện áp
Sử dụng nguyên lý phóng nạp của tụ điện: nap nap
1/4 chu kì tăng: T nap R Dth ng ô C0, khi đó tụ được nạp đầy ngay
1/4 chu kì giảm: điốt tắt, tụ C phóng qua Rt, T phong R C t > 0
Hình 2.12 Lọc phẳng sau nửa chu kỳ
Trong trường hợp lọc phẳng sau chỉnh lưu nửa chu kỳ, giá trị KGS vẫn còn lớn, vì vậy thường sử dụng chỉnh lưu toàn sóng hoặc tăng trị số của tụ C Đặc biệt, khi nuôi mạch công suất lớn, tụ C cần có dung lượng lớn hơn để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Ngoài ra người ta còn dùng các phương pháp lọc như lọc RC, lọc LC và lọc nhiều tầng để giảm KGS càng nhiều càng tốt
2.2.5 Khối ổn áp Điện áp một chiều sau 3 khối trên phụ thuộc vào điện lưới và R tải, cho nên chúng ta cần ổn áp cho nó Nhiệm vụ của khối này là ổn định UDC không đổi cho dù điện lưới và R tải thay đổi Ổn áp Zener:
Điốt Zener có cấu trúc giống như điốt thông thường, nhưng được sử dụng chủ yếu để ổn định điện áp trong chế độ phân cực ngược Khi hoạt động ở chế độ phân cực thuận, điốt Zener hoạt động giống như một điốt thường, nhưng khi phân cực ngược, nó duy trì một mức điện áp cố định.
Hình 2.14 Cách mắc điốt zener ổn áp
Giới hạn của điện trở hạn dòng R được tính theo công thức: ào min max ào ào max min v Z
Nhược điểm của ổn áp dùng điốt Zener: dải ổn áp nhỏ hẹp.
Khối tạo dao động
Khối tạo ra sóng giao động có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu vào khối công suất với tần số điện công nghiệp, thường là sóng hình sin hoặc hình vuông Do khối công suất có trở kháng đầu vào rất nhỏ, cần thiết phải sử dụng một khối khuếch đại đệm để ổn định khối phát xung dao động và giảm trở kháng đầu vào cho tầng công suất.
Mạch dao động đóng vai trò quan trọng trong nhiều thiết bị điện tử, bao gồm mạch dao động nội trong khối RF Radio, bộ kênh Tivi màu, và mạch dao động tạo xung cho Tivi Ngoài ra, nó còn tạo ra sóng hình sin cần thiết cho hoạt động của IC vi xử lý.
Mạch dao động được chia thành hai loại chính: mạch tạo dao động sin, còn gọi là mạch dao động điều hòa, và mạch tạo xung, bao gồm các tín hiệu như xung vuông và xung tam giác.
Mạch tạo dao động cần thiết phải sản sinh tín hiệu với biên độ và tần số ổn định cao, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm.
Mạch dao động trong mạch nghịch lưu cần phải tạo ra hai tín hiệu dao động có biên độ đối xứng theo thời gian Do đó, chúng ta sẽ xem xét một số mạch cụ thể sau đây.
2.3.1 Mạch dao động đa hài
Dao động đa hài là dạng dao động không phải là sin hoặc là sin bị méo biên độ, và khi phân hoạch bằng chuỗi Fourier, nó tạo ra nhiều dao động có tần số là bội số n của tần số gốc Các tần số này, với n là số nguyên dương từ 1 đến vô cùng, được gọi là sóng hài của tần số f Đặc biệt, khi dao động đa hài đi qua mạch điện có tính cảm kháng (cuộn dây) hoặc dung kháng (tụ điện), sẽ xảy ra sự phân tách thành nhiều tần số bội số của tần số gốc.
Hình 2.15 Mạch tạo dao động đa hài
2.3.2 Mạch dao động dùng IC 555
IC tạo dao động họ XX555, Thiết kế mạch dao động tạo ra xung vuông có tần số và độ rộng bất kỳ
Mạch tạo dao động bằng IC định thời 555 được lắp như hình 2.13
Hình 2.16 Mạch tạo dao động dùng IC 555
Nguồn cung cấp cho IC có thể dao động từ 4,5V đến 15V, với đường mạch màu đỏ biểu thị dương nguồn và mạch màu đen dưới cùng là âm nguồn Mạch dao động sử dụng IC rất đơn giản và dễ dàng, do đó được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Tuy nhiên, khi sử dụng mạch dao động với IC555, cần phải gắn thêm một cổng đảo sau tín hiệu dao động đầu ra để tạo ra hai tín hiệu đối xứng.
2.3.3 Mạch tạo dao động dùng IC 4047
Mạch tạo dao động dùng IC 4047 được mắc như hình:
Hình 2.17 Mạch tạo dao động dùng IC 4047
IC 4047 là một vi mạch 14 chân, được đóng gói dạng clip 100T, hoạt động với điện áp từ 3V đến 15V và có khả năng tạo ra xung vuông hai nửa chu kỳ Các chân của IC 4047 có những chức năng quan trọng mà chúng ta cần lưu ý.
Chân 2: đầu vào điện trở R
Chân 3: đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn
Chân 10: đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương
Chân 11: đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm
Từ nhưng nguyên cứu trên nhóm chọn mạch tạo dao động dùng IC 4047 cho mạch nghịch lưu
Mạch sử dụng IC 4047 để tạo ra tần số 50Hz với đầu ra xung vuông 2 nửa chu kỳ Chu kỳ xung vuông được tính bằng công thức T = 4.4RC Để đạt được tần số 50Hz, chọn tụ điện 0,1uF và sử dụng công thức trên để tính giá trị điện trở cần thiết.
Tuy nhiên, trong mạch chúng tôi sử dụng biến trở 50k để điều chỉnh tần số thay đổi từ 50Hz - 60Hz cho mạch.
Màn hình LCD
Text LCD là các loại màn hình tinh thể lỏng dung để hiển thị các dòng chữ hoặc
Màn hình LCD văn bản (Text LCD) khác với các loại LCD lớn ở chỗ nó được chia thành từng ô, mỗi ô chỉ hiển thị một ký tự ASCII Do chỉ hiển thị ký tự ASCII, loại LCD này được gọi là Text LCD, để phân biệt với Graphic LCD có khả năng hiển thị hình ảnh Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, và việc kết hợp "ẩn" và "hiện" các chấm này sẽ tạo ra ký tự cần hiển thị Các mẫu ký tự trong Text LCD đã được định nghĩa sẵn, và kích thước của nó được xác định bởi số ký tự hiển thị trên một dòng và tổng số dòng mà LCD có.
Hình 2.19 Màn hình LCD 16x2 Bảng 2.1 Chức năng chân của LCD 16x2
Chức năng TT chân Tên Trạng thái logic Mô tả
Nguồn cho LCD 2 VDD (VCC) - +5V
Tương phản 3 Vee - 0 - Vdd Điều khiển LCD
Ghi (Từ PIC vào LCD) Đọc (từ LCD vào PIC)
2.4.1 Các tập lệnh của LCD
Trước khi tìm hiểu tập lệnh của LCD, sau đây là một vài chú ý khi giao tiếp với LCD:
Trong sơ đồ khối của LCD, có nhiều khối khác nhau, nhưng khi lập trình điều khiển LCD, chúng ta chỉ có thể tác động trực tiếp vào hai thanh ghi DR và IR thông qua các chân DBx Để chuyển đổi giữa hai thanh ghi này, cần thiết lập các chân RS và R/W một cách phù hợp.
Mỗi lệnh gửi đến LCD cần một khoảng thời gian để hoàn tất, và thời gian này có thể kéo dài do tốc độ của MPU Do đó, cần kiểm tra cờ BF hoặc sử dụng hàm delay để đảm bảo rằng LCD đã thực thi xong lệnh hiện tại trước khi gửi lệnh tiếp theo.
- Địa chỉ của RAM (AC) sẽ tự động tăng (giảm) 1 đơn vị, mỗi khi có lệnh ghi vào RAM (Điều này giúp chương trình gọn hơn)
- Các lệnh của LCD có thể chia thành 4 nhóm như sau:
- Các lệnh về kiểu hiển thị VD: Kiểu hiển thị (1 hàng/2 hàng), chiều dài dữ liệu
- Chỉ định địa chỉ RAM nội
- Nhóm lệnh truyền dữ liệu trong RAM nội
2.4.2 Giao tiếp với LCD Đặc tính điện làm việc điển hình:
- (Đo trong điều kiện hoạt động Vcc = 4.5V đến 5.5V, T= -30 đến +75C)
- Chân cấp nguồn Vcc-GND: 2.7V đến 5.5V
- Điện áp vào mức cao VIH: 2.2V đến VCC
- Điện áp vào mức thấp VIL: -0.3V đến 0.6V
- Điện áp ra mức cao (DB0-DB7): Min 2.4V (khi IOH = -0.205mA)
- Điện áp ra mức thấp (DB0-DB7): Max 0.4V (khi IOL = 1.2mA)
- Dòng điện ngõ vào: ILI: -1uA đến 1uA (khi VIN = 0 đến Vcc)
- Dòng điện cấp nguồn ICC: 350uA(typ.) đến 600uA
- Tần số dao động nội fOSC: 190kHz đến 350kHz (điển hình là 270kHz)
Khởi tạo là quá trình thiết lập các thông số làm việc ban đầu cho LCD, giúp thiết lập giao thức giữa LCD và MPU Việc này chỉ cần thực hiện một lần duy nhất ở đầu chương trình điều khiển LCD và bao gồm các thiết lập cần thiết.
- Display clear: xóa/không xóa toàn bộ nội dung hiển thị trước đó
- Function set: kiểu giao tiếp 8bit/4bit, số hàng hiển thị 1hàng/2hàng, kiểu kí tự 5x8/5x10
- Display on/off control: hiển thị/tắt màn hình, hiển thị/tắt con trỏ, nhấp nháy/không nhấp nháy
- Entry mode set: các thiết lập kiểu nhập kí tự như: Dịch/không dịch, tự tăng/giảm (Increment)
Mạch khởi tạo bên trong chip HD44780
Khi nhận nguồn, mạch khởi tạo bên trong LCD sẽ tự động khởi động Trong quá trình này, cờ BF sẽ được bật lên 1 và sẽ tắt khi quá trình khởi tạo hoàn tất.
BF duy trì trong khoảng 10ms sau khi Vcc đạt 4.5V, trong khi LCD đã hoạt động ở mức 2.7V Mạch khởi tạo nội sẽ thiết lập các thông số làm việc của LCD.
- Display clear: xóa toàn bộ nội dung hiển thị trước đó
- Function set: DL=1: 8bit; N=0: 1 hàng; F=0: 5x8
- Display on/off control: D=0: Display off; C=0: Cursor off; B=0: Blinking off
- Entry mode set: I/D =1: Tăng; S=0: Không dịch
Sau khi mở nguồn, màn hình LCD sẽ không hiển thị gì vì toàn bộ hiển thị tắt Vì vậy, cần khởi tạo LCD bằng lệnh để nó hoạt động đúng cách.
Relay Module
Relay là linh kiện điện tử thụ động phổ biến trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt khi bạn cần giải quyết vấn đề về công suất với độ ổn định cao Với khả năng bảo trì dễ dàng, relay là lựa chọn lý tưởng cho những yêu cầu này.
Relay là một loại công tắc đặc biệt, được kích hoạt bằng điện thay vì bằng tay Nó có hai trạng thái cơ bản là đóng và mở, tương tự như các công tắc thông thường.
Hình 2.20 Hình ảnh của Relay
- Module Relay đóng ở mức thấp: nối cực âm vào chân tín hiệu relay sẽ đóng
- Module Relay đóng ở mức cao: nối cực dương vào chân tín hiệu relay sẽ đóng
Thông số của một module relay
Một module relay được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là relay và transistor, nên module relay có nhũng thông số của chúng
- Hiệu điện thế kích tối ưu
- Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa của đồ dùng điện khi nối vào module relay
Hình 2.21 Ví dụ về các thông số của Relay
1 10A-250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của relay với hiệu điện thế
