Giới thiệu về động cơ một chiều
Cấu tạo động cơ một chiều
Hình 1 1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiềuCấu tạo động cơ một chiều gồm các phần chính: Phần tĩnh (Stato), phần động (Rôto), cổ góp và chổi than.
Phần tĩnh: Là stato và luôn luôn là phần cảm Phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy.
Phần động: Là Rôto và luôn là phần ứng Phần ứng là phần cảm ứng ra sức điện động xoay chiều Phần ứng bao gồm:
Lõi thép của rôto được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, có độ dày từ 0.35 đến 0.5 mm, được ghép lại với nhau Bên ngoài, chu vi của rôto được thiết kế với các rãnh đều đặn để đặt dây, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Dây quấn: Là dây đồng bọc cách điện hay dây ê-may, kiểu quấn là dải đều trên chu vi mặt ngoài của rôto.
Trục Rôto được chế tạo từ thép hợp kim với độ bền cơ khí vượt trội, giúp nâng đỡ rôto và cho phép quay tự do nhờ vào hai vòng bi ở hai đầu.
Hình 1 3 Cấu tạo động Roto
Cổ góp và chổi than là những bộ phận quan trọng trong việc chỉnh lưu hoặc nghịch lưu dòng điện qua rôto, đóng vai trò như một bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí.
Cổ góp, còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều, được cấu tạo từ nhiều phiến góp bằng đồng, được cách điện với nhau Các đầu dây của mô bin được kết nối với các phiến góp này.
Chổi than là thiết bị quan trọng trong việc dẫn dòng điện vào hoặc ra khỏi rôto, được chế tạo từ than granit với độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn tốt và dẫn điện hiệu quả.
Hình 1 4 Cổ góp và chối than
Nguyên lí hoạt động của động cơ một chiều
Khi cung cấp điện áp một chiều cho phần cảm (Stato), từ trường kt sẽ được tạo ra Đồng thời, khi điện áp một chiều được áp dụng cho phần ứng, dòng điện iư sẽ xuất hiện trong dây quấn phần ứng (rôto) Kết quả là thanh dẫn phần ứng sẽ chịu lực tác động F, với chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Lực F, được tính bằng công thức F=BLI, sẽ tạo ra mômen quay, khiến rôto quay Để minh họa nguyên lý hoạt động này, ta có thể xem máy điện như một khung dây rôto và stato là một nam châm điện với hai cực Bắc - Nam (N-S).
Hình 1 5 Nguyên lý hoạt động động cơ 1 chiều
Khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức từ của từ trường kt, nếu điện áp mạch ngoài U dương tại chổi C1 và âm tại chổi C2, thì chiều dòng điện trong rôto sẽ là từ C1 đến C2 Sử dụng quy tắc bàn tay trái, ta có thể xác định chiều của lực F và từ đó suy ra chiều mômen M.
Trên hình 1.5 (h.2) tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180º so với hình 1, ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+) C1 V2 DCBA V1 C2
(-), và tương tự ta cũng xác định được chiều của lực F và chiều của mômen M.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động cơ sau:
Từ 2 phương trình trên ta thấy n(tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ thông),
R (điện trở phần ứng), U(điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có 3 phương pháp.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần cứng.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
* Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
Hình 1 6 Sơ đồ thay thế
Hình 1 7 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi từ thông θ
Đồ thị mô tả đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều với các giá trị từ thông khác nhau Khi từ thông giảm, tốc độ n0 tăng, nhưng sự gia tăng của ∆ n nhanh hơn, dẫn đến độ dốc của các đường đặc tính cơ khác nhau Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ vượt quá tốc độ định mức, nhưng nhược điểm là cần có các biện pháp khống chế đặc biệt, làm cho cấu trúc và công nghệ chế tạo phức tạp, từ đó làm tăng giá thành máy.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng ta có:
Do từ thông không đổi, n0 cũng không thay đổi, chỉ có ∆ n là biến đổi Một điểm quan trọng là chúng ta chỉ có thể tăng Rf mà không thể giảm Ru, do đó phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới mức định sẵn Khi Rf tăng, đặc tính cơ trở nên mềm hơn, dẫn đến tốc độ thay đổi nhiều hơn khi tải thay đổi.
Hình 1 8 Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ Rf
Khi dòng điện I biến thiên, đường đặc tính cơ mềm hơn sẽ cho thấy tốc độ thay đổi nhiều hơn Tuy nhiên, phương pháp này ít được áp dụng trong việc điều khiển tốc độ của động cơ một chiều.
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ hoạt động của hệ thống, cả trên và dưới mức định sẵn Khi điện áp U giảm, tốc độ n0 cũng giảm, nhưng độ biến thiên ∆n vẫn giữ nguyên, dẫn đến tốc độ n giảm Do đó, thường chỉ điều chỉnh tốc độ xuống dưới mức định sẵn, và nếu cần tăng tốc độ, chỉ nên điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ Một đặc điểm quan trọng của phương pháp này là khi điều chỉnh tốc độ, mômen vẫn giữ nguyên vì từ thông và dòng điện phần ứng không thay đổi.
Phương pháp điều khiển này sử dụng từ thông không đổi, dẫn đến độ cứng cơ học ổn định Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp Uđk của hệ thống, cho thấy đây là phương pháp điều khiển triệt để Dải điều chỉnh tốc độ bị giới hạn bởi các đặc tính cơ bản, tương ứng với điện áp và từ thông định mức Tốc độ tối thiểu trong dải điều khiển bị ảnh hưởng bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động, trong khi mômen tải định mức xác định các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ.
Công thức 1.3: ω max = ω 0 max − M đm
Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của giải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:
KM là hệ số quá tải về mômen Đặc tính cơ của nó là đường thẳng song song, từ đó có thể xác định độ cứng theo định nghĩa về đặc tính cơ.
Công thức 1.5: ω min =( M nmmin − M đm ) 1
Phạm vi điều chỉnh D của động cơ điện một chiều phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng β, với ω 0 max, Mđm và KM được xác định cho mỗi máy Khi điều chỉnh điện áp phần ứng bằng thiết bị nguồn, điện trở tổng mạch phần ứng thường gấp khoảng 2 lần điện trở phần ứng của động cơ, cho phép tính toán sơ bộ dễ dàng hơn.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ không vượt quá 10 khi tải có đặc tính mômen không đổi Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều hiệu quả là sử dụng PWM.
Hình 1 10 Đồ thị thay đổi đặc tính cơ khi thay đổi điện áp
Kết luận: Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, phương pháp thay đổi điện áp U đặt vào phần ứng được coi là tối ưu nhất Phương pháp này không chỉ mang lại đặc tính cơ có độ lớn ổn định mà còn cho phép điều chỉnh tốc độ một cách mượt mà và giảm thiểu tổn hao.
Phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM
Giới thiệu về phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM
Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của các xung vuông Điều này dẫn đến sự biến đổi điện áp ra tải, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ một cách hiệu quả, không chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ mà còn giúp ổn định hoạt động của động cơ Ngoài việc điều khiển và ổn định tải, PWM còn được áp dụng trong các mạch nguồn như Buck converter, Boost converter, và nghịch lưu một pha cũng như ba pha Phương pháp này rất phổ biến trong thực tế và trong các mạch điện điều khiển, đặc biệt là trong việc điều khiển các phần tử điện tử công suất với đặc tính tuyến tính khi có nguồn một chiều cố định.
Sơ đồ trên thể hiện dạng xung điều chế trong một chu kỳ, trong đó thời gian xung lên (xung ở mức cao) có thể thay đổi về độ dài Độ rộng của xung được tính bằng phần trăm và được xác định theo công thức cụ thể.
Như vậy thời gian xung lên trong một chu kì càng lớn thì điện áp đầu ra càng lớn Điện áp đầu ra sẽ được tính như sau:
T 100 % Ưu, nhược điểm khi sử dụng mạch PWM để điều khiển tốc độ động cơ một chiều. a) Ưu điểm
Transistor ở lối ra chỉ có hai trạng thái duy nhất là ON và OFF, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng do phát nhiệt và năng lượng rò rỉ tại nối ra.
Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
Tốc độ của mô tơ tăng nhanh hơn khi nhận chuỗi xung điều chế PWM so với việc cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm cần lưu ý.
Cần các mạch điện tử bổ trợ giá thành cao.
Các xung kích 12 volt có thể phát ra tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt, và tiếng ồn này sẽ gia tăng khi gặp phải hiện tượng cộng hưởng của vỏ.
Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ.
Nguyên lí của phương pháp PWM
Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng ngắt nguồn cấp cho tải theo chu kỳ, tuân theo quy luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Các van bán dẫn là thành phần chính thực hiện nhiệm vụ đóng trong mạch.
Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằngMosfet
Hình 2 2 Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải
Hình 2 3 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra
Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và điện áp đầu ra khi dùng PWM.
Nguyên lý 2.1 mô tả quá trình điều khiển van G trong khoảng thời gian từ 0 đến T Trong giai đoạn 0 đến t, van G mở, cho phép toàn bộ điện áp nguồn Ud được cung cấp cho tải Ngược lại, trong khoảng thời gian từ t đến T, van G khóa lại, ngắt nguồn cung cấp cho tải Do đó, khi thay đổi thời gian t từ 0 đến T, ta có thể điều chỉnh mức độ cung cấp điện áp cho tải, từ toàn bộ, một phần cho đến việc ngắt hoàn toàn.
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi to là thời gian xung ở sườn dương ,T là thời gian cả sườn âm và dương Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải
T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng phần trăm
Các cách để tạo xung PWM để điều khiển
Có hai phương pháp phổ biến để tạo tín hiệu PWM: bằng phần cứng và phần mềm Phương pháp phần cứng sử dụng các IC dao động như 555 hoặc LM556 để tạo xung vuông, trong khi phương pháp phần mềm được thực hiện thông qua các chip lập trình được Tạo PWM bằng phần mềm thường mang lại độ chính xác cao hơn so với phần cứng, vì vậy phương pháp này thường được ưa chuộng hơn.
2.3.1 Tạo bằng phương pháp so sánh Để tạo bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :
Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM
Tín hiệu tựa là 1 điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (tín hiệu DC)
Hình 2 4 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh
Chúng ta sử dụng 1 bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref).
- Khi SAW < Ref thì cho ra điện áp 0V
- Khi SAW > Ref thì cho ra điện áp là Umax
Mỗi khi chúng ta thay đổi Ref, OUTPUT sẽ tạo ra một chuỗi xung độ rộng D có tần số tương ứng với tần số xung vuông OUTPUT, bằng với tần số xung răng cưa SAW.
2.3.2 Tạo bằng phương pháp tạo IC dao động
Nhiều IC hiện nay có khả năng tạo ra xung vuông một cách trực tiếp mà không cần tín hiệu tam giác, nhờ vào việc tích hợp sẵn trong thiết kế của chúng.
Hình 2 5 Phương pháp tạo IC dao động
Với tần số xác định là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng.
2.3.3.Tạo xung bằng phần mềm
Với cách này cho độ chính xác cao về tần số và độ rộng xung Xung này được tạo dựa trên xung nhiệt của CPU
Tạo xung PWM bằng IC555
IC 555 là một mạch định thời nguyên khối, nổi bật với khả năng tạo ra độ trễ và dao động thời gian chính xác, ổn định So với các ứng dụng của op-amp trong cùng lĩnh vực, IC 555 không chỉ đáng tin cậy mà còn có giá thành thấp Ngoài vai trò là bộ dao động đơn ổn và bất ổn, IC 555 còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bộ chuyển đổi nguồn DC-DC, đầu dò logic số, máy phát sóng, máy đo tần số tương tự, máy đo và điều chỉnh nhiệt độ, cũng như bộ điều chỉnh điện áp IC 555 hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 0° đến 70°C.
- Điện áp logic ở mức cao:0.5-15V
- Điện áp logic ở mức thấp : 0.03-0.06V
- Công suất tiêu thụ tối đa: 600mW
- Dòng ra tối đa 200mA
2.4.3 Cấu trúc chân và sơ đồ nguyên lí
Hình 2 6 Cấu trúc chân và sơ đồ nguyên lí
Như hình trên NE555 có 2 loại là hình tròn, 8 chân và Hình chữ nhật ,8 chân Ở thị trường Việt Nam chủ yếu sử dụng loại 8 chân, hình chữ nhật.
Hình 2 7 Sơ đồ cấu tạo bên trong
IC 555 bao gồm 25 bóng bán dẫn, 2 diode và 15 điện trở, có thể được mô tả qua sơ đồ khối với 2 bộ so sánh, 1 Flip flop, một bộ chia điện áp và một bóng bán dẫn.
Hình 2 8 Sơ đồ cấu trúc
Bộ chia điện áp bao gồm ba điện trở 5k giống nhau, tạo ra hai điện áp tham chiếu là 1/3 và 2/3 điện áp cung cấp, có thể dao động trong khoảng từ 5V đến 15V.
Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lý
Bộ so sánh sử dụng IC thuật toán để so sánh hai điện áp đầu vào: một là điện áp dương (không đảo) và một là điện áp âm (đảo) Khi điện áp tại cực dương cao hơn điện áp tại cực âm, bộ so sánh sẽ xuất tín hiệu ra là 1 Ngược lại, nếu điện áp tại cực âm cao hơn điện áp tại cực dương, tín hiệu ra sẽ là 0.
Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý
Đầu của Opam 1 được kết nối với mức áp tham chiếu là 2/3Vcc, trong khi đầu nối với chân 6 và đầu của Opam 2 cũng được nối với mức áp tham chiếu tương tự.
Chân 2 được nối với 1/3Vcc, cho phép chúng ta kiểm soát đầu ra của hai bộ so sánh thông qua các chân Trigger, Threshold và Control Flip-Flop sẽ xuất ra 1 khi R = 0 và S = 1, và ngược lại, nó sẽ xuất 0 khi R = 1 và S = 0 Nếu cả R và S đều bằng 0, Flip-Flop sẽ giữ nguyên trạng thái trước đó Ngoài ra, Flip-Flop có thể được đặt lại về 0 thông qua chân Reset.
- Chân số 1: “GND” là chân nối đất, tất cả các mức điện áp điều được so sánh với áp tại đường dây nối đất.
Chân số 2, hay còn gọi là chân trigger, có vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu kích cho IC 555 hoạt động ở chế độ đơn ổn Đây là đầu vào đảo của bộ so sánh, giúp chuyển trạng thái của transistor trong flip flop từ set sang reset Ngõ ra của bộ định thời phụ thuộc vào độ lớn của xung bên ngoài đưa vào chân trigger, trong đó xung âm có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
Chân số 3, hay còn gọi là "Output", là ngõ ra của bộ định thời, cho phép xuất tín hiệu ra ngoài Có hai phương pháp để kết nối tải với chân output này, trong đó cách đầu tiên là kết nối trực tiếp với chân 3.
Tải nối giữa chân output và chân nguồn được gọi là tải thường mở, trong khi tải nối giữa chân output và chân GND được gọi là tải thường đóng.
Chân số 4, hay còn gọi là chân reset vi mạch, đóng vai trò quan trọng trong việc khôi phục trạng thái ban đầu của bộ định thời Mỗi khi bộ định thời bị reset, một xung âm được gửi đến chân này, đảm bảo đầu ra trở về trạng thái ban đầu bất kể điều kiện đầu vào Nếu không sử dụng chân reset, cần nối nó với Vcc để ngăn ngừa khả năng kích hoạt sai.
- Chân số 5: “Control voltage” là chân điện áp điều khiển Chân ngưỡng
Chân threshold (ngưỡng) và chân kích (trigger) điều khiển hoạt động của mạch Biên độ sóng ra được xác định bởi một biến trở hoặc điện áp bên ngoài kết nối với chân này Do đó, điện áp trên chân sẽ quyết định thời điểm chuyển đổi của bộ so sánh, ảnh hưởng đến biên độ đầu ra Khi không sử dụng chân này, nên nối đất qua tụ 0,01 micro Farad để giảm nhiễu.
Chân số 6, hay còn gọi là “Threshold”, là chân ngưỡng của bộ so sánh 1 Nó hoạt động như ngõ vào không đảo, so sánh với ngõ vào đảo có điện áp tham chiếu là 2/3Vcc Khi điện áp đạt ngưỡng, bộ so sánh sẽ chuyển sang trạng thái +Vsat và đầu ra sẽ được đặt lại.
Chân số 7, hay còn gọi là chân xả điện, kết nối với cực C của transistor và thường có một tụ điện nối giữa chân này và chân nối đất Chân xả điện được đặt tên như vậy vì khi transistor dẫn bão hòa, tụ C sẽ xả điện qua transistor Khi transistor ngắt, tụ điện sẽ được nạp lại thông qua điện trở và tụ bên ngoài.
- Chân số 8: “Vcc” là chân cấp nguồn Nguồn cung cấp trong khoảng từ 5V đến 18V.
2.4.5 Mạch đa hài dùng IC 555
Hình 2 12 Mạch đa hài dùng IC 555
Trong mạch IC555, chân ngưỡng (6) được kết nối với chân nhớ (2), tạo ra cùng một điện áp UC trên tụ Điện áp này được so sánh với các mức chuẩn 1/3 Vcc và 2/3 Vcc tại các đầu vào của hai bộ so sánh 1 và 2.
Tụ 0.01 àF nối chõn 5 với đất để lọc nhiễu tần số cao cú ảnh hưởng đến điện ỏp chuẩn lối vào 2/3Vcc.
- Chân 4 được nối lên nguồn Vcc để không sử dụng chức năng Reset IC555
- Chân 7 được nối với điện trở R1 và R2 để tạo đường phóng nạp cho tụ.
- Chân 3 có dạng xung vuông.
Nguyên lý hoạt động của mạch:
Khi mới đóng điện, điện áp trên tụ C (UC) bằng 0 V, dẫn đến điện áp ở chân 2 và chân 6 cũng bằng 0 V Điều này khiến cho hai bộ so sánh IC555 xuất ra tín hiệu cao (xấp xỉ Vcc), trong khi transistor ở chân 7 ở trạng thái cấm và tụ C bắt đầu được nạp điện Quá trình nạp điện cho tụ C diễn ra thông qua R1 và R2 từ Vcc xuống đất, làm cho điện áp trên tụ C tăng dần với hằng số thời gian nạp.
- Điện áp trên tụ tăng dần:
Một số sơ đồ IC555 hay sử dụng
2.5.1 Bộ tạo dao động 555 đơn giản
Mạch dao động tự do 555 đơn giản nhất, kết nối chân 3 trực tiếp với tụ điện C thông qua một điện trở R duy nhất
Hình 2 17 Mạch dao động tự do 555
Khi đầu ra chân 3 ở mức cao, tụ điện sẽ tích điện qua điện trở Khi điện áp trên tụ đạt 2/3 giá trị Vcc, chân 6 sẽ làm cho đầu ra chân 3 thay đổi trạng thái Khi đầu ra ở mức thấp, tụ điện sẽ phóng điện qua cùng một điện trở cho đến khi chân 2 đạt 1/3 giá trị Vcc, dẫn đến việc đầu ra thay đổi trạng thái một lần nữa.
Tụ điện liên tục sạc và phóng điện qua lại giữa 2/3Vcc và 1/3Vcc qua cùng 1 điện trở tạo ra trạng thái cao và thấp ở đầu ra.
Khi tụ điện nạp và phóng điện qua cùng 1 điện trở ,chuỗi xung đầu ra sóng vuông được tạo ra có thời gian chu kỳ T và tần số f:
2.5.2 Bộ dao động 555 nhanh nhất
Hình 2 18 Bộ dao động 555 nhanh nhất
Bằng cách điều chỉnh giá trị của R và C, mạch đa vi điều khiển 555 có thể được thiết lập để dao động ở bất kỳ tần số đầu ra mong muốn Để đạt được tần số cao nhất, cần liên tục kích hoạt lại mạch ngay khi đầu ra thay đổi trạng thái Tốc độ chuyển mạch tối ưu có thể đạt được bằng cách loại bỏ cả hai thành phần định thời R và C, đồng thời cấp tín hiệu đầu ra trực tiếp trở lại các đầu vào chân số 2 và số 6 Khi kết nối đầu ra từ chân 3 với cả đầu vào kích hoạt chân số 2 và đầu vào ngưỡng chân số 6, mỗi lần đầu ra thay đổi trạng thái sẽ kích hoạt IC555 để thay đổi trạng thái một lần nữa Tuy nhiên, dạng sóng đầu ra sẽ không phải là đối xứng hay sóng vuông, mà là một chuỗi các xung âm.
Tần số dao động cao nhất thu được khi sử dụng cách sắp xếp này sẽ phụ thuộc vào điện áp cung cấp ,loại chip 555 được sử dụng
2.5.3 Bộ dao động 555 chậm nhất
Nếu ta quay lại mạch dao động 555 ban đầu và thay tụ điện định thời bằng tụ điện có giá trị lớn.
Hình 2 19 Bộ dao động 555 chậm nhất
Trong mạch trễ thời gian, đầu ra duy trì ở mức thấp cho đến khi chân 2 của IC 555 được kích hoạt, sau đó tăng cao trong khoảng thời gian đã được tính toán Chân ngưỡng 6 và chân phóng điện 7 được kết nối với nhau thông qua các thành phần định thời RC Chân 7 được giữ ở mức cao qua điện trở R1 cho đến khi nút bấm S1 được đóng, làm cho chân 7 giảm xuống GND và điện áp giảm dưới 1/3VCC, khởi động thời gian trễ Sau khi được kích hoạt, bộ định thời 555 không phản hồi với bất kỳ kích thích nào cho đến khi thời gian trễ kết thúc, điều này làm cho mạch trở nên hữu ích trong các ứng dụng gỡ lỗi công tắc, vì một xung đơn có thể tạo ra bất kể công tắc bị ngắt bao nhiêu lần.
Trong thời gian trễ, đầu ra đạt giá trị cao là 1.1RC (s), với R tính bằng ohms và C tính bằng Farads Bằng cách lựa chọn giá trị phù hợp cho R và C, ta có thể tạo ra độ trễ từ vài micro giây đến nhiều giờ.
2.5.4 Cấu hình có thể thay đổi được hệ số điều chỉnh.
Hệ số điều chỉnh D trong mạch dao động 555 tiêu chuẩn là tỷ lệ giữa thời gian bật t1 (thời gian mức cao) và tổng thời gian trong một chu kỳ, nằm trong khoảng từ 50% đến 100% Tuy nhiên, một số ứng dụng có thể yêu cầu hệ số điều chỉnh dưới 50%, tức là t1 ngắn hơn t2 (thời gian mức thấp), và thời gian này phụ thuộc vào tỷ lệ của các điện trở RA và RB.
Khi điện trở RA lớn hơn nhiều so với RB, hệ số điều chỉnh tăng lên 100% khi RB bằng 0 Ngược lại, nếu RB lớn hơn RA, hệ số điều chỉnh giảm xuống gần 50% Để đạt được hệ số tỷ lệ 50%, RA cần phải bằng 0 ohms, điều này không thể xảy ra vì sẽ tạo ra kết nối giữa VCC và GND qua chân 7 Để khắc phục tình trạng này và giảm hệ số điều chỉnh xuống dưới 50%, cần phải mắc một diode vào mạch định thời RC.
Hình 2 20 Sơ đồ nguyên lý
Việc bổ xung diode D1 sẽ làm ngắn mạch điện trở RB trong chu kỳ sạc.
Trong chu kỳ xả tụ, khi đầu ra chân 3 ở mức thấp, diode D1 bị phân cực ngược, cho phép mạch hoạt động trước khi xả tụ qua điện trở RB vào chân 7 Ngược lại, trong chu kỳ sạc với đầu ra ở mức cao, các thành phần RA và C sẽ kiểm soát thời gian t1 (thời gian mức cao) Trong khi đó, ở chu kỳ xả với đầu ra ở mức thấp, RB và C sẽ quản lý thời gian t2 (thời gian mức thấp).
Do sự hiện diện của diode D1, điện áp qua diode sẽ bị giảm đi 0,7 volt, làm cho mạch trở nên nhạy cảm hơn với các biến đổi của điện áp cung cấp VCC Vì vậy, biểu thức định thời t1 được ước lượng là khoảng 0,8RC.
- Thời gian trong một chu kỳ :
2.5.5 Mạch cải thiện hệ số điều chỉnh trong một chu kỳ
Ta có thể cải thiện mạch trong phần 2.5.4 bằng cách thêm một diode thứ 2, D2 nối tiếp với điện trở RB như hình vẽ:
Hình 2 21 Mạch cải thiện hệ số điều chỉnh trong một chu kỳ
Diode D2 đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn dòng điện rò song song qua RB trong chu kỳ sạc, nhờ vào việc phân cực ngược của nó Trong chu kỳ xả, tụ xả qua D2 và RB khiến diode D1 cũng bị phân cực ngược Do đó, cả hai quá trình nạp và xả của tụ định thời trở nên tương tự khi tụ được nạp qua RA và D1, và xả qua RB và D2, cho phép điều chỉnh thời gian của một quá trình mà không ảnh hưởng đến quá trình còn lại.
2.5.6 Bộ tạo dao động 555 độc lập.
Có thể nâng cao hiệu suất mạch trong phần 2.5.4 bằng cách sử dụng một hoặc hai triết áp nối tiếp với hai diode Điều này sẽ giúp thời gian nạp và xả của tụ điện hoàn toàn độc lập, từ đó cải thiện tính ổn định và hiệu quả hoạt động của mạch.
Hình 2 22 Mạch tạo dao động 555 độc lập
Sơ đồ mạch trong hình 1 minh họa việc sử dụng hai triết áp VR1 và VR2 trong thiết kế bộ dao động Mỗi triết áp được kết nối với một diode, cho phép điều chỉnh độc lập khoảng thời gian cho chu kỳ xả (đầu ra thấp) và chu kỳ nạp (đầu ra cao) Điều này giúp kiểm soát hoàn toàn chu kỳ làm việc mà không làm ảnh hưởng đến tần số đầu ra.
Sử dụng sơ đồ như hình 2, một chiết áp duy nhất được áp dụng để điều chỉnh thời gian ở mức cao và thấp tại đầu ra Khi chiết áp xoay về điểm A, hệ số tỉ lệ D sẽ giảm, trong khi xoay về điểm B sẽ làm tăng hệ số tỉ lệ D Điều này cho phép thay đổi chu kỳ làm việc của sóng đầu ra mà không ảnh hưởng đến tần số, là phương pháp hiệu quả để điều khiển tốc độ động cơ một chiều mà chúng em đã lựa chọn.
Mạch cầu H
Mạch cầu H là một mạch điều khiển đơn giản cho động cơ DC, cho phép quay thuận và quay nghịch Có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau, tùy thuộc vào việc lựa chọn linh kiện với dòng điện, áp điều khiển và tần số xung PWM Những yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của mạch cầu H.
Động cơ DC có khả năng quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách kết nối cực âm và dương Cụ thể, nếu đầu A được nối với cực dương (+) và đầu B với cực âm (-), động cơ sẽ quay theo chiều thuận, ngược lại, nếu A nối với (-) và B với (+), động cơ sẽ quay nghịch Khi đóng S1 và S4, A nối với cực dương và B nối với cực âm, dòng điện sẽ chạy qua động cơ, khiến động cơ quay theo chiều thuận.
Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.
Như vậy, mạch cầu H dùng để đảo chiều quay động cơ
Bạn cần lưu ý rằng không bao giờ được đóng cùng lúc các công tắc S1 và S2, S3 và S4, hoặc thậm chí cả bốn công tắc cùng một lúc Hành động này sẽ tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND, gây ra hiện tượng ngắn mạch Kết quả có thể khiến acquy của bạn bị hỏng và nghiêm trọng hơn là có nguy cơ cháy nổ mạch.
Nếu đóng cùng lúc S1 và S3 hoặc S2 và S4, cả hai đầu A, B của động cơ sẽ được nối với cùng một mức điện áp, dẫn đến việc không có dòng điện chạy qua và mạch cầu H không hoạt động Đây có thể được xem như một phương pháp "thắng" động cơ, nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả Do đó, để đảm bảo mạch cầu không hoạt động, tốt nhất là nên mở tất cả các khóa thay vì sử dụng cách này.
Sau khi hiểu nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, bước tiếp theo là thiết kế mạch bằng các linh kiện cụ thể Thành phần chính của mạch cầu H là các "khóa", và việc lựa chọn linh kiện cho các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ và kiến thức của người thiết kế Thông thường, các khóa trong mạch cầu H được chế tạo bằng rờ le, BJT hoặc MOSFET Do đó, thiết kế mạch cầu H sẽ tập trung vào ba loại linh kiện này.
Hình 2 24 Sơ đồ nguyên lý
Khi chọn transistor, cần đảm bảo rằng dòng điện định mức của transistor lớn hơn dòng điện tải để tránh tình trạng cháy Chẳng hạn, nếu động cơ tiêu thụ 1A, bạn nên chọn transistor có dòng điện định mức tối thiểu là 1A, tốt nhất là lớn hơn 1A Thiết kế transistor PNP nên được đặt ở phía trên (S1 và S3).
Khi thiết kế mạch với transistor NPN ở trên và PNP ở dưới, mạch vẫn hoạt động nhưng không hiệu quả do sự ghim áp giữa cực C và cực E, dẫn đến điện áp tại cực E thấp hơn điện áp nguồn Điều này làm giảm hiệu suất cung cấp điện cho động cơ Ngược lại, nếu thiết kế PNP ở trên và NPN ở dưới, với điện áp tại chân B của PNP bằng 0V, transistor PNP sẽ hoạt động ở chế độ bão hòa, giúp điện áp tại cực C và cực E bằng điện áp nguồn Nhờ đó, động cơ sẽ nhận được điện áp tối đa từ nguồn mà không gặp phải sự sụt áp, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất.
Mạch đầu tiên tôi sử dụng transistor TIP120 và TIP127, động cơ 2V, khi tôi cấp nguồn 5V vào mạch, động cơ không hoạt động.
Lý do là transistor TIP 12x có điện áp rơi giữa cực C và E là 2V Như vậy, khi tôi cấp 5V vào mạch, tôi đã bị mất hết 4V, động cơ chỉ còn 1V.
Chúng ta không nên dùng transistor loại TIP, vì con TIP bị sụt áp rất lớn
Chúng ta nên sử dụng transistor BD135/ BD136 hoặc MOSFET.
Các diode bảo vệ ngược dòng.
Chúng ta lắp diode vào mạch để ngăn chặn dòng điện ngược từ động cơ, do động cơ có cuộn cảm Khi mạch cầu hoạt động và nguồn điện cho động cơ bị ngắt đột ngột, các transistor sẽ ngừng hoạt động Động cơ sẽ phát ra năng lượng điện lớn do hiện tượng cảm ứng điện từ, gây ra dòng điện có thể vượt quá khả năng chịu đựng của transistor Nếu không có bảo vệ, transistor có thể bị đánh thủng bởi dòng điện này Tuy nhiên, khi lắp thêm diode bảo vệ, dòng điện sinh ra sẽ được dẫn qua diode về nguồn, giúp bảo vệ mạch an toàn hơn.
Thiết kế
Sơ đồ nguyên lí
Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lí
Chức năng từng khối
Hiển thị Điều Công suất khiển
Bao gồm 1 màn hình LCD có chức năng hiển thị các chế độ tùy chọn, tốc độ điều chỉnh động cơ
Khối điều khiển bao gồm một vi điều khiển 8051, chịu trách nhiệm điều khiển các chế độ hoạt động của động cơ Nó được trang bị các nút nhấn cho phép người dùng lựa chọn chế độ và điều chỉnh tốc độ của động cơ một cách linh hoạt.
Khối thay đổi tần số.
Hình 3 4 Khối thay đổi tần số Chức năng để thay đổi tần số điều khiển động cơ thông qua biến trở RV.
Khối công suất nhận tín hiệu PWM để điều khiển việc đóng cắt nguồn điện cho động cơ, từ đó cho phép điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ một cách hiệu quả.
Kết hợp với 2 relay để tắt, bật và đảo chiều động cơ.
Hình 3 6 Kết hợp với 2 relay để tắt, bật và đảo chiều động cơ
