Bài giảng Tự động hoá và điều khiển thiết bị điện - Chương 4: Các phấn tử trong hệ thống tự động điều khiển vòng kín (8 tiết)

g của sđđ của các tiếp điểm và phụ thuộc nhiệt độ của các tiếp điểm này (hình cnn1a) 
EAB(T,T0) = eAB(T) + eBA(T0) = eAB(T) - eAB(T0) (cnn-1) 
Như vậy sđđ nhiệt có ở hai đầu của những kim loại khác nhau bằng hiệu sđđ trên các đầu của chúng. Từ (cnn-1) thấy rằng nếu nhiệt độ trên các đầu nối của cặp nhiệt ngẫu như nhau thì sđđ bằng 0. sđđ này không phụ thuộc cách nối dây đo. Dây đo có thể nói tới hai đầu còn lại của các kim loại (hình cnn1b) hay cắt đôi một kim loại (hình cnn1c), các cách nối này không làm ảnh hưởng tới sđđ nhiệt, mặc dù nhiệt độ tại các điểm 1,2 hay 3, 4 có bằng nhau
mV
mV
Hình cnn1 Sơ đò nối cặp nhiệt ngẫu từ các kim loại khác nhau
1
2
3
4
T0
T
A
B
B
B
B
A
A
Nếu điện trở của mạch cặp nhiệt ngẫu giữ không đổi, thì dòng điện chạy qua mạch đo tỉ lệ với sđđ, nghĩa là tỉ lệ với độ chênh nhiệt của điểm đo với nhiệt độ môi trường.
Các hãng chế tạo hiện nay chế tạo một số loại cặp nhiệt ngẫu: 
Bằng hợp chất Platin ruđi - platin, trong đó cực dương là hợp chất Platin ruđi (Platin 90%, Ruđi 10%) cực âm là Platin. Loại cặp nhiệt ngẫu này được phép làm việc đến 13000C khi làm việc dài hạn và đến 16000C khi làm việc ngắn hạn.
Cặp nhiệt bằng Crom - nhôm, cực dương là Crôm còn cực âm là nhôm. Loại cặp nhiệt này nếu làm việc dài hạn được dùng tới 10000C, còn ngắn hạn tới 13000C.
Cặp nhiệt bằng Crom - Coban, với cực dương là Crom và cực âm là Coban. Loại cặp nhiệt này làm việc dài hạn tới 6000C và ngắn hạn tới 8000C.
Cặp nhiệt được chế tạo bằng sắt - coban có các đặc tính làm việc như loại crom - coban.
ở nhiệt độ thấp người ta dùng loại cặp nhiệt đồng - coban
Những loại cặp nhiệt làm việc ở nhiệt độ caođược chế tạo từ hợp chất platin - ruđi, trong đó cực dương là loại hợp chất có 13% ruđi và cực âm cùng loại hợp chất này nhưng chỉ có 6% ruđi nó cho làm việc đến 18000C.
Cặp nhiệt với cực dương bằng cacbon sạch loại C2 hay C3 cực âm bằng titan, cho phép làm việc trong khoảng (800 - 2500)0C
Cấu trúc của cặp nhiệt 
1
2
3
4
5
6
7
8
1 - vỏ bảo vệ, 2- mối hàn, 3 - điện cực, 4 - sứ cách điện, 5- ốc cố định, 6 - phích cứm, 7 - ốc nối, 8 - hộp đầu nối
b)
a)
Hình cnn3 là cấu trúc của cặp nhiệt. dây dẫn điện cực 3 được nối bằng mối nối 2 (mối nối này cần tiếp xúc tốt nên nó được gia công bằng cách hàn hơi đặt trong vỏ bọc 1 bằng kim loại, bằng sứ hay bằng vật liệu khác. Các điện cực được định vị trong chuõi sứ cách điện 4. Kết nối với mạch ngoài bằng phích cắm 6 và vít 7 nằm trong hộp nối dây. Chiều dài cặp nhiệt ngẫu tùy thuộc đối tượng cần đo.
Đặc tính kĩ thuật của các cặp nhiệt ngẫu thông dụng
Cặp nhiệt ngẫu
Dải nhiệt độ làm việc 0C
Sức điện động mV
Độ chính xác
Đồng / Constantan
f = 1,63 mm
-270á370
-6,258á19,027
(-1000Cá400C): ± 2%
(-400Cá1000C): ± 0,8%
(1000Cá3500C): ± 0,75%
Sắt / Constantan
f = 3,25 mm
-210á800
-8,095á45,498
(00Cá4000C): ± 3%
(4000Cá8000C): ± 0,75%
Crom / Nhôm
f = 3,25 mm
-270á1250
-5,354á50,633
(00Cá4000C): ± 3%
(4000Cá12500C): ± 0,75%
Crom / Constantan
f = 3,25 mm
-276á870
-9,835á66,473
(00Cá4000C): ± 3%
(4000Cá12500C): ± 0,75%
Platin-Ruđi (10%)/ Platin
f = 3,25 mm
-50á1500
-0,236á15,576
(00Cá6000C): ± 2,5%
(6000Cá15000C): ± 0,4%
Platin-Ruđi (13%)/ Platin
f = 3,25 mm
-50á1500
-0,226á17,445
(00Cá5380C): ±1,4%
(5380Cá15000C): ± 0,25%
Platin-Ruđi (30%)/ Platin
f = 3,25 mm
0á1700
0á12,426
(8700Cá17000C): ±0,5%
Vonfram-Reni (5%)/ Vonfram-Reni (26%)
0á2700
0á38,45
IC cảm biến nhiết độ
LM 35
LM 317L
62,5W
1%
4,7
I=4 mA 00C
I=20 mA +1000C
50W
+(5....30)V
+
-
LM 35
10W
16
1
2
10
CLK
-in
0,64V
+in
Interrup
CS
RD
WR
1m
150p
AD 0804
LM 35
10W
3,9
100
10
-in
1,28V
+in
DO
CLOCK
CS
1m
AD 0804
LM 35
5V
Nhiều hãng lớn trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và điều chỉnh nhiệt độ rất tiện lợi. Trong mạch tor hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp pn trong một tranzitor lưỡng cực. Texas Instruments có STP 35A/B/C; National Semiconductor có LM 35......
4.5. Bộ biến đổi số - tương tự (D/A)
4.5.1. Chuyển đổi số - tương tự
Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DA) là một mạch dùng để chuyển đổi các tín hiệu số thành tín hiệu tương tự. Mạch DA càn phải biến đổi các nhóm xung khác nhau thành một mức độ điện áp hay một cường độ dòng điện tương ứng nào đó.
Người ta sử dụng ba phương pháp chính trong mạch DA là:
Phương pháp tạo ra điện áp.
Phương pháp tạo ra dòng điện. 
Phương pháp nhân.
I. DA theo phương pháp điện áp
Có hai loại mạch DA theo phương pháp điện áp
Dạng mạch với điện trở có trọng số khác nhau.
Dạng mạch với điện trở hình thang.
1. Mạch với điện trở có trọng số khác nhau
Hình da1 vẽ một mạch DA dạng này. Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn, các chuyển mạch, các điện trở có giá trị lần lượt là: R, và một KĐTT. Khi một công tắc nào đó đóng thì đầu vào của KĐTT được cấp một dòng điện. Như vậy điện áp ra phụ thuộc công tắc nào được đóng, tức là phụ thuộc vào giá trị của bit tương ứng trong tín hiệu số được đưa vào mạch chuyển đổi. 
-
+
Điện áp đầu ra có thể được viết
 (da - 1)
Từ biểu thức (da-1) thấy rằng: thành phần là một hằng số cho nên điện áp ra tỉ lệ với biểu thức trong ngoặc đơn.
Ví dụ đưa vào mạch chuyển đổi tín hiệu số là 1011, các công tắc thứ nhất, hai và tư đóngvà điện áp ra sẽ là;
-
+
Hình da2. Mạch DA với tín hiệu vào là mã BCD
R
R/2
R/4
R/8
R/10
R/20
R/40
R/80
đơn vị
chục
Ura
Rht
Trong trường hợp nếu sử dụng tín hiệu số dưới dạng mã BCD thì các điện trở hợp thành từng nhóm bốn điện trở một, mỗi nhóm có giá trị gấp 10 lầnnhóm kế cận. Trên hình da 2 vẽ sơ đồ mạch với hai số hạng BCD là hàng đơn vj và hàng chục
2. Dạng mạch với điện trở hình thang.
Trên hình da3 vẽ một mạch DA với điện trở hình thang. Mạch gồm hai điện trở có trị số R và 2R mắc theo hình thang với nhiều công tắc điện (mỗi công tắc một bit) và một điện áp chuẩn Uch. Điện áp ra của mạch được tính:
 (da - 2)
Trong đó B0 đến Bn-1 là các giá trị bit 0 và 1.
Ví dụ một mạch DA 5 bit, tín hiệu vào là 10101 hệ 2. Từ công thức trên ta có:
 (da - 3)
-
+
Hình da3. Mạch DA với điện trở hình thang
R
R
Rht
2R
2R
2R
2R
20
21
2n-1
Uch
-
+
Hình da3. Mạch DA với điện trở hình thang có đầu vào mã BCD
R
R
Rht
2R
2R
2R
2R
2R
R
10R
10R
2R
2R
2R
2R
2R
10R
Trong trường hợp muốn dùng loại mạch này cho các tín hiệu đầu vào dạng mã BCD 8421 ta mắc sơ đồ như hình da3. Với sơ đồ này, phần chính của mạch không thay đổi nhưng cần có thêm các điện trở 9R và 99R để làm giảm dòng điện theo tỷ lệ cần thiết.
Các bộ biến đổi ở trên đầu vào có thể dùng bộ chuyển mạch hình. Đây là một chuyển mạch, hoặc nối với Uchuẩn hay với 0V. Do chuyển mạch cần làm việc với tần số cao nên tranzitor được chọn làm phần tử đóng cát như trên hình da4
Tùy theo điện áp điều khiển mà tranzitor npn hay pnp sẽ bão hòa và nối đầu ra lên điện áp chuẩn hay xuống 0V. Mạch có ưu điểm là hoạt động giống như một khóa lí tưởngvì điện trở trong của tranzitor ở trạng thía bão hòa thấp vf có giá trị đối xứng cho cả hai vị trí.
Điều khiển vào
Tín hiệu ra
Hình da4. Chuyển mạch dùng tranzitor
3. Mạch DA chế tạo theo phương pháp dòng điện
Mạch DA đã nói ở trên được chế tạo trên cơ4 sở của KĐTT, chúng bị giới hạn bới đặc tính của KĐTT, ví dụ tần số làm việc không cao, trong nhiều ứng dụng cần tạo một dòng điện đầu ra có cường độ tỉ lệ với tín hiệu số ở đầu vào mạch dùng KĐTT khó thực hiẹn được.
Mạch hình da5 là sơ đồ đơn giản của DA chế tạo theo phương pháp dòng điện. Mỗi tranzitor và điện trở emitor là một nguồn dòng. Cường độ của nguồn dòng này thay đổi theo giá trị bit đưa vào. Mỗi nguồn được điều khiển bởi bít tương ứng. Nếu bit có giá trị là 1 diod khóa nguồn dòng hoạt động và cung cấp một dòng điện ra tải. Nếu bit vào bằng 0 diod dẫn làm cho tranzitor khóa.
Như vây bit nào bằng 1 sẽ cung cấp một nguồn dòng tương ứng cho mmạch tải. Tín hiệu có thể là dòng điện Itải hay điện áp. 
Rtải
R
2R
2n-1 R
BLN
BNN
Itải
Hing da5. Mạch DA tạo ra dòng điện
4.6. Bộ biến đổi tương tự - số (A/D)
Mạch chuyển đổi ngược lại của chuyển đổi số tương tự là chuyển đổi tương tự - số gọi tắc là mạch AD (hay ADC - Analog Digital Converter). Cónhiều phương pháp thể hiện mạch AD. ở đây chỉ giới thiệu một số mạch cơ bản.
1. Mạch AD kiểu so sánh song song
Trên hình ad1 là sơ đồ mạch AD kiểu so sánh song song. Một mạch AD n bit như thế này cần 2n-1 bộ so sánh (kí hiệu từ C1 đến C2n-1 và 2n điện trở), đầu ra của bộ so sánh được dưa tới bộ mã hóa
-
+
-
+
-
+
-
+
MSB
LSB
Bộ mã hóa
C1
C2
C2n-2
C2n-1
U2n-1
U2n-2
U2
U1
R1
R2
R2n-1
R2n
Uref
U1n
Hình ad1. Mạch AD kiểu so sánh song song
Để minh họa hoạt động của mạch này, ta xét ví dụ một mạch AD 3 bit trên hình ad2. Điện áp vào thay đổi từ 0 đến U0 . Đầu vào được chia thành 8 dải điện áp. Sáu trong tám dải có gái trị là DU = hai dải hai đầu có giá trị DU = . Khi đầu vào có giá trị nhỏ hơn thì đầu ra sẽ là 000, Khi điện áp vào có giá trị từ đến đầu ra tương ứng 001. Tương tự như vậy có thể xác định được đầu ra với bất kì giá trị đầu vào nào.
MSB
LSB
U0
UV
(1/14)UD
-
+
-
+
Bộ giải mã
R/2
R
-
+
-
+
R
-
+
D
-
+
D
-
+
D
D
D
D
D
Clock
Bộ đệm
Bộ so sánh
R
R
R
R
(3/14)UD
(5/14)UD
(7/14)UD
(9/14)UD
(11/14)UD
(13/14)UD
Hình ad2 Mạch AD 3bit kiểu so sánh song song
2. Mạch AD kiểu đếm
Trên hình ad3 vẽ mạch AD kiểu đếm. Mạch gồm các phần tửt: một so sánh, một tigơ FF RS, một cổng AND để đóng mở xung nhịp CP từ bộ dao động chuẩn, một mạch đếm n bit và một mạch DA n bit.
Ban đầu mạch đếm và FF được RESET, nên điện áp ra UDA bằng 0V và cổng AND mở cho xung nhịp vào mạch đếm. Khi điện áp vào UV lớn hơn UDA nên USS ở mức thấp. UDA tăng dần theo hình bậc thang, cho đến khi UDA vừa đủ lớn hơn UV để USS chuyển lên mức cao làm cho Q = 0 khóa AND lại. Lúc này tín hiệu trong mạch đếm là tín hiệu số n bit tương ứng của tín hiệu tương tự vào UV.
-
+
UV
USS
CP
UDA
DA
mạch đếm
S
R
Q
RESET
Tín hiệu ra số
Hình ad3 Mạch AD kiểu đếm
Vi mạch chuyển đổi tương tự - số, số - tương tự
4.7. Bài tập.