Giáo trình điện tử công nghiệp Lời nói đầu Theo xu hướng phát triển của nền khoa học kỹ thuật hiện đại, nhiều thành tựu mới trong kỹ thuật điện tử, điện tử số… đã được ứng dụng rộng khắp trong các lĩnh vực công nghiệp. Nước ta đã và sẽ nhập nhiều các máy móc, thiết bị rất hiện đại nên đòi hỏi người kỹ sư phải có các kiến thức tiên tiến, không ngừng nâng cao trình độ … mới có thể nắm bắt, xử lý được các công nghệ hiện đại trên. Do vậy, nếu trước đây môn học Điện tử công nghiệp chỉ là một môn học trong chương trình học của khối kỹ thuật thì nay đã phát triển rất nhanh và trở thành một chuyên ngành trong các trường đại học và trung học chuyên nghiệp. Cụ thể tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, môn học này đã trở nên một trong nhiều chuyên ngành mà sinh viên ngành điện tử phải chọn khi thi vào trường. Các môn học tiên quyết của môn học này là: Kỹ thuật điện đại cương, Kỹ thuật điện tử … nói chung là các môn cơ bản của chuyên ngành điện – điện tử. Do đây là bài giảng về Điện tử công nghiệp dành riêng cho sinh viên đại học các ngành không chuyên điện nên nội dung biên soạn trong giáo trình chủ yếu mang tính định tính, ít định lượng. Mong muốn sao cho các sinh viên không chuyên điện hiểu được các vấn đề cơ bản về Điện tử công nghiệp để sau này ứng dụng vào công việc thực tiễn tại các nhà máy xí nghiệp. Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn về chuyên ngành này, có thể tham khảo giáo trình Điện tử công nghiệp dành cho sinh viên chuyên ngành Điện tử sẽ ra mắt bạn đọc sau giáo trình này trong một khoảng thời gian không xa. Mặc dù vậy nhưng nội dung vẫn khá đầy đủ các ý chính của môn học Điện tử công nghiệp như với sinh viên chuyên điện (chỉ thiếu phần AVR máy phát điện đồng bộ). Điểm khác cơ bản là nội dung được trình bày trong giáo trình này chỉ mang tính giới thiệu nguyên lý hoạt động, cơ sở lý luận và các ứng dụng thực tiễn không đi vào các thiết kế chuyên sâu. Cụ thể bài giảng được phân thành các chương như sau: - Chương 1: Cảm biến / Công tắc không tiếp điểm. - Chương 2: Gia nhiệt trong công nghiệp, máy hàn điện trở. - Chương 3: Điều khiển theo chương trình - PLC. - Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ điện. Mỗi chương trong tài liệu đều được trình bày từ dễ đến khó, từ thấp đến cao, luôn coi trọng các khái niệm, định nghĩa cùng các ứng dụng thực tiễn, giúp người đọc dễ dàng tiếp cận với các công nghệ mới ứng dụng điện tử công nghiệp. Sau mỗi chương Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com tài liệu có các câu hỏi và bài tập củng cố kiến thức giúp sinh viên ôn tập lại các kiến thức cốt lõi trong chương. Để nâng cao tính tích cực vận động trong sinh viên, trong bài giảng này người viết đã đưa thêm vào chương 4 việc dạy và học ứng dụng truyền thông đa phương tiện (Multimedia) qua giáo trình điện tử: “Thực hành lập trình vi điều khiển / vi xử lý ứng dụng truyền thông đa phương tiện” của cùng tác giả. Có thể nói việc “thầy dạy bằng đa phương tiện, trò học bằng đa giác quan” sẽ làm tăng khối lượng kiến thức truyền đạt trong khi số giờ lên lớp không thay đổi. Nghĩa là ngoài bài giảng truyền thống còn có tài liệu điện tử dạng truyền thông đa phương tiện đi kèm giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức theo đúng qui luật nhận thức: “từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng”. Sắp tới đây chúng tôi sẽ giới thiệu một tài liệu về Điện tử Công nghiệp dạng truyền thông đa phương tiện dành riêng cho sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử (nội dung sẽ kết hợp với các ví dụ mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng). Với tài liệu tham khảo này, các chuyên đề trong lĩnh vực Điện tử công nghiệp sẽ được trình bày một cách chi tiết hơn. Mặc dù đã làm việc với một tinh thần khẩn trương và trách nhiệm, song do thời gian và trình độ có hạn chắc chắn tập bài giảng điện tử không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ độc giả để có thể hoàn chỉnh tập bài giảng trong lần tái bản sau. Mọi đóng góp xin gửi về Bộ môn Điện tử công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh. T.p Hồ Chí Minh, tháng 10/2010 Tác giả Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bài giảng Điện tử công nghiệp Gvth: GVC. ThS Nguyễn Phương Quang MỤC LỤC Chương 1: CẢM BIẾN / CÔNG TẮC KHÔNG TIẾP ĐIỂM. 1.1 Khái niệm cơ bản 1.2 Cảm biến quang………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 1.2.2 Các linh kiện quang điện thông dụng 1.2.2.1 Điện trở quang 1.2.2.2 Diode quang 1.2.2.3 Transistor quang 1.2.2.4 Diode phát quang 1.2.2.5 Ghép quang 1.2.2.6 Pin mặt trời 1.2.2.7 Cáp quang (tơ quang dẫn) 1.2.3 Mạch điện điển hình 1.3 Cảm biến nhiệt……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1.3.1 Các linh kiện nhiệt thông dụng 1.3.1.1 Điện trở nhiệt Nickel, Platin 1.3.1.2 Điện trở nhiệt PTR và NTR 1.3.1.3 Cặp nhiệt điện 1.3.1.4 Vi mạch cảm biến nhiệt (LM 35) 1.3.2 Mạch điện điển hình 1.4 Cảm biến từ…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1.4.1 Khái niệm cơ bản 1.4.2 Cảm biến HALL 1.4.2.1 Hiệu ứng Hall 1.4.2.2 Cấu trúc của cảm biến Hall 1.4.2.3 Ứng dụng của cảm biến Hall 1.5 Một số dạng cảm biến thông dụng…………………………………………………………………………………… 1.5.1 Mạch nhận biết sự dòch chuyển 1.5.2 Mạch đếm 1.5.3 Mạch dò khuyết tật trong kim loại 1.5.4 Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động Trang 1 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bài giảng Điện tử công nghiệp Gvth: GVC. ThS Nguyễn Phương Quang 1.6 Một số mạch điện cảm biến thông dụng ………………………………………………………………… 1.6.1 Cảm biến từ 1.6.2 Cảm biến mực nước 1.6.3 Cảm biến thu – phát hồng ngoại 1.6.4 Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Chương 2: GIA NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP, MÁY HÀN ĐIỆN TRỞ 2.1 Lò điện trở 2.1.1 Khái niệm cơ bản 2.1.2 Sơ đồ khống chế lò 2.2 Lò hồ quang …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… 2.2.1 Khái niệm cơ bản 2.2.2 Sơ đồ khống chế lò 2.3 Lò cảm ứng ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2.3.1 Khái niệm cơ bản 2.3.2 Sơ đồ khống chế lò 2.4 Giới thiệu máy hàn tiếp xúc……………………………………………………………………………………………………… 2.4.1 Giới thiệu – nguyên lý làm việc 2.4.2 Chu kỳ làm việc của máy hàn điểm 2.4.3 Mạch điện máy hàn tiếp xúc điển hình Chương 3: ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH / PLC 3.1 Khái niệm cơ bản 3.1.1 Điều khiển và điều khiển tự động 3.1.2 Giới thiệu các hệ thống điều khiển 3.1.2.1 Hệ thống điều khiển dùng rơ-le, thiết bò cơ khí 3.1.2.2 Hệ thống điều khiển dùng mạch điện tử 3.1.2.3 Hệ thống điều khiển dùng kỹ thuật vi xử lý / vi điều khiển 3.1.2.4 Hệ thống điều khiển dùng máy tính 3.1.3 Giới thiệu thiết bò điều khiển theo chương trình-PLC Trang 2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bài giảng Điện tử công nghiệp Gvth: GVC. ThS Nguyễn Phương Quang 3.2 Cấu trúc phần cứng của PLC ……………………………………………………………………………………………………. 3.2.1 Bộ xử lý trung tâm 3.2.2 Bộ nhớ 3.2.3 Khối vào / ra 3.2.4 Thiết bò lập trình 3.3 Cơ chế hoạt động PLC……………………………………………………………………………………………………………………… 3.4 Lập trình trên PLC…………………………………………………………………………………………………………………………………. 3.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình 3.4.1.1 Các lệnh cơ bản 3.4.1.2 Các ví dụ minh hoạ 3.4.2 Các bài toán điển hình 3.4.2.1 Điều khiển động cơ có bảo vệ điểm không 3.4.2.2 Điều khiển đảo chiều quay động cơ 3.5 Những ứng dụng của PLC trong công nghiệp…………………………………………………… 3.5.1 Điều khiển robot 3.5.2 Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufaturing System-FMS) 3.5.3 Điều khiển quá trình 3.5.4 Truyền dẫn tín hiệu giữa các thiết bò tự động Chương 4: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4.1 Khái niệm cơ bản 4.2 Giới thiệu các động cơ điện thông dụng …………………………………………………………………. 4.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập / song song 4.2.2 Động cơ điện vạn năng 4.2.3 Động cơ điện một chiều không chổi than 4.2.4 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha 4.2.5 Động cơ bước 4.3 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập…………… 4.3.1 Nguyên tắc điều khiển 4.3.2 Mạch điện điển hình 4.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện vạn năng…………………………………………………………… 4.4.1 Nguyên tắc điều khiển Trang 3 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bài giảng Điện tử công nghiệp Gvth: GVC. ThS Nguyễn Phương Quang 4.4.2 Mạch điện điển hình 4.5 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không chổi than 4.5.1 Nguyên tắc điều khiển 4.5.2 Mạch điện điển hình 4.6 Điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha 4.6.1 Nguyên tắc điều khiển 4.6.2 Phương pháp điều chế theo bề rộng xung 4.6.3 Phương pháp điều khiển sáu bước 4.6.4 Phương pháp điều chế vector không gian 4.7 Điều khiển tốc độ động cơ bước …………………………………………………………………………………………. 4.7.1 Nguyên tắc điều khiển 4.7.2 Mạch điện điển hình 4.8 Ứng dụng vi xử lý/vi điều khiển trong điều khiển tốc độ động cơ 4.8.1 Kiến thức cơ bản 4.8.2 Giới thiệu cách sử dụng tài liệu điện tử 4.8.3 Các bài toán minh hoạ 4.8.4 Các bài tập củng cố Trang 4 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Chương 1: Cảm biến - công -tắc không tiếp điểm Gv: Nguyễn Phương Quang ________________________________________________________________________________ Chương 1 CẢM BIẾN / CÔNG-TẮC KHÔNG TIẾP ĐIỂM Chương này giới thiệu về các hệ thống cảm biến sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ta sẽ khảo sát bằng cách nào hệ thống máy móc thiết bò trong công nghiệp có thể hiểu và xử lý được các tín hiệu tự nhiên, đa phần là các tín hiệu không điện. 1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “sense” nghóa là giác quan – do đó nó như các giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhận thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể hiển thò thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình hoạt động theo một chương trình đònh trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động. Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như bảng 1.1 sau: Bảng 1.1: Cảm biến và 5 giác quan con người 5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bò cảm biến Thò giác Xúc giác Vò giác Thính giác Khứu giác Ánh sáng/ hình dạng/ kích thước/ vò trí/xa gần/màu sắc Áp suất/ nhiệt độ/ cơn đau/ tiếp xúc/ tiệm cận/ ẩm/ khô Ngọt/ nóng/ chua/ cay/ mặn/ béo m trầm/ âm bổng/ sóng âm/ âm lượng Mùi của các chất khí/ chất lỏng Camera thu hình Cảm biến quang Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động Đo lượng đường trong máu Mi-crô, cảm biến sóng siêu âm Đo độ cồn/ thiết bò cảm nhận khí gas Do cảm biến rất đa dạng nên có thể phân loại cảm biến theo nhiều cách khác nhau như: dạng tín hiệu ngõ vào cảm biến; nguyên lý cảm biến: cảm biến tích cực, cảm biến thụ động; tính chất cảm biến: cảm biến cơ, cảm biến điện … Thông thường người ta phân chia cảm biến theo dạng tín hiệu ngõ vào mà bộ cảm biến sẽ chuyển đổi. Với cách phân chia này, có thể phân chia cảm biến theo các dạng như sau: cảm biến quang; cảm biến nhiệt; cảm biến từ (từ trường); cảm biến âm thanh; cảm biến độ ẩm, cảm biến cơ, cảm biến tốc độ, cảm biến lưu lượng dòng chảy … Minh hoạ trên hình 1.1. ________________________________________________________________________________________________________ Trang 7 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bài giảng Điện tử công nghiệp Tín hiệu/ Dữ liệu ngõ ra Dò tìm/ Chuyển đổi Thay đổi của môi trường Hình 1.1: Minh hoạ chức năng của cảm biến CẢM BIẾN Khối lượng Vò trí Ánh sáng Nhiệt -Điều khiển thiết bò -Hiển thò dữ liệu Dựa vào cảm biến, người ta chế tạo nên các bộ công tắc không tiếp điểm. Các bộ công tắc này chòu được các yêu cầu làm việc khắc nghiệt như làm việc trong môi trường có chất ăn mòn, rung động liên tục, dễ cháy nổ, yêu cầu về tốc độ và tần số chuyển mạch lớn … Cấu tạo một công tắc không tiếp điểm bao gồm một bộ cảm biến và khối khuếch đại, xử lý tín hiệu giúp việc chuyển đổi tín hiệu từ không điện sang tín hiệu điện được chính xác và ổn đònh. Chính sự chuyển mạch không tiếp xúc này đã thoả mãn các yêu cầu mà hệ thống đòi hỏi trong khi chuyển mạch có tiếp xúc không thể đáp ứng được. Nhiệt ngẫu Điện trở gia nhiệt đây rồi! À! Cảm biến Phần tử đóng cắt Mạch điều khiển Hình 1.2: Cấu tạo một lò sấy sử dụng mạch điều khiển nhiệt đo Có thể minh hoạ hình ảnh của một bộ công tắc không tiếp điểm dùng trong một lò sấy như hình 1.2. Trong lò có điện trở gia nhiệt nhằm cấp nhiệt cho lò, giúp lò luôn có nhiệt độ ổn đònh trong mức đặt trước. Tần suất đóng cắt của điện trở này tuỳ thuộc vào bộ điều khiển nhiệt độ điều tiết phần tử đóng cắt điện cho điện trở. Tín hiệu ngõ vào của bộ điều khiển nhiệt độ được lấy ngay trên nhiệt độ lò thông qua nhiệt ngẫu. Rõ ràng tại nhiệt ngẫu không hề có một tiếp điểm cơ khí nào nhưng điện trở vẫn được đóng cắt nguồn điện cung cấp để duy trì nhiệt độ lò luôn ở một mức đònh trước. Do vậy, người ta còn gọi hệ này là công tắc không tiếp điểm. Trang 8 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com [...]... các linh kiện quang điện tử Các linh kiện điện tử sử dụng trong cảm biến này chủ yếu làm việc theo hiệu ứng quang điện 1.2.1 Hiệu ứng quang điện Ở đây chỉ trình bày các ý chính trong hiệu ứng quang điện giúp sinh viên dễ dàng nắm bắt nội dung các phần sau Hiệu ứng quang điện có thể chia thành hai loại: hiệu ứng quang dẫn và hiệu ứng quang nối 1.2.1.1 Hiệu ứng quang dẫn Khi vật dẫn điện được ánh sáng... nhiệt, biến chúng thành tín hiệu điện giúp mạch điện xử lý tốt các tình huống trong thực tế Cũng như linh kiện quang điện, linh kiện nhiệt rất phong phú và đa dạng Ở đây chỉ nêu một số các linh kiện điện tử thông dụng Tuỳ vào cấu tạo mà mỗi loại có một nguyên lý Trang 13 Simpo PDF Bài giảnand Splitcông nghiệp Merge g Điện tử Unregistered Version - http://www.simpopdf.com... trò của điện trở nhiệt ở nhiệt độ T = 0 T2, T3, … là các phần tử được quan tâm nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ chính xác của phép đo T là nhiệt độ môi trường A, B, C, … là các hệ số tuỳ thuộc vật liệu 1.3.1.2 Nhiệt điện trở PTR và NTR:Dựa vào hệ số nhiệt điện trở, có thể phân điện trở nhiệt thành điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR (Positive Thermic Resistor) và điện trở có hệ số nhiệt điện trở... Splitcông nghiệp Merge g Điện tử Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Một mối nối P-N khi được rọi sáng sẽ phát ra một sức điện động Sức điện động này tỉ lệ với cường độ ánh sáng rọi vào mối nối và có giá trò ngưỡng tuỳ thuộc vào vật liệu cấu thành nên mối nối (Silicium hay Germanium) 1.2.2 Các linh kiện quang điện thông dụng 1.2.2.1 Quang trở (Photo Resistor) Quang trở còn được gọi là điện. .. vật liệu như hình 1.19 (d . Giáo trình điện tử công nghiệp Lời nói đầu Theo xu hướng phát triển của nền khoa học kỹ thuật hiện đại, nhiều thành tựu mới trong kỹ thuật điện tử, điện tử số… đã. của môn học này là: Kỹ thuật điện đại cương, Kỹ thuật điện tử … nói chung là các môn cơ bản của chuyên ngành điện – điện tử. Do đây là bài giảng về Điện tử công nghiệp dành riêng cho sinh viên. dụng vào công việc thực tiễn tại các nhà máy xí nghiệp. Nếu muốn tìm hiểu sâu hơn về chuyên ngành này, có thể tham khảo giáo trình Điện tử công nghiệp dành cho sinh viên chuyên ngành Điện tử sẽ