Thiết kế chế tạo mô hình DIAFRAM tự động

khoảng cách từ nguồn điểm đến mặt vật đó. Vì độ rọi sáng E và độ trưng sáng R có cùng thứ nguyên nên để phân biệt, người ta gọi đơn vị đo độ rọi sáng là lux (lx). Lux là độ rọi sáng trên mặt của một vật mà mỗi mét vuông của mặt vật đó nhận được quang thông 1 lumen truyền tới. Dưới đây là bảng số liệu về độ rọi trên mặt của một số vật: Địa điểm và điều kiện rọi sáng Độ rọi sáng (lux) Trong phòng ban ngày 100 Trên bàn làm công việc tinh vi Đọc sách Sáng trăng đêm rằm trên mặt đất 0,2 3.1.5. Định luật Lambert Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt, hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt mờ, hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt mờ, một phần ánh sáng được mặt này phát lại theo hai cách sau đây: (1) Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học hay định luật Descartes. (2) Sự phản xạ hoặc truyền khuyếch tán theo định luật Lambertertau. Trong đó cách nào chiếm ưu thế là tùy thuộc vào vật liệu sử dụng. Công thức cuối cùng của định luật Lambert như sau: (3.17) Trong đó gọi là hệ số phản xạ. Khi hệ quang có hệ số truyền qua (3.17) trở thành: (3.18) Tóm lại, ta gọi độ sáng M là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích, cho dù nguyên nhân phát sáng có thể là phản xạ, truyền dẫn hay phát xạ nội tại như mặt cảm nhận ánh sáng của camera. 3.2. TÍNH TOÁN HÀM ĐỘ RỌI CỦA ẢNH TRÊN CCD [1] Xét một phần tử góc khối vô cùng nhỏ , các kí hiệu khác được cho trên hình 3-4. Khai triển một phần tử vành khăn trên , gọi dS là diện tích của phần tử vành khăn này (hình 3-4), ta có các quan hệ sau: Từ (3.9) và coi cường độ sáng của đối tượng thu hình phân bố theo định luật Lambert (), ta suy ra: , do đó ta có: (3.19) Độ chói B và cường độ sáng I có quan hệ sau: = (3.20) Trong đó: – là cường độ sáng từ vật theo hướng thu hình. - là góc hợp bởi hướng thu hình và pháp tuyến với vật thu hình. - là hình chiếu của đối tượng quay có diện tích S lên mặt phẳng vuông góc với hướng thu hình. Biểu thức (3.20) cho thấy rằng, nếu đối tượng quay phát xạ theo định luật Lambert thì độ chói B không thay đổi theo hướng quay. Thay (3.20) vào (3.19), nhận được: (3.21) Từ (3.14), chú ý đến (3.17) và (3.21), ta có: (3.22) Từ hình 3-5, ta có: (3.21) Thay (3.21) và (3.20) vào (3.19), ta nhận được: (3.22) Biểu thức (3.22) cho thấy rằng, độ rọi của ảnh không có quan hệ tuyến tính với đường kính của Diafram. 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DIAFRAM Các yêu cầu chung của Diafram: -Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. -Gọn nhẹ, dễ lắp ráp vào các máy quay du lịch. -Làm việc êm, không kẹt, ma sát nhỏ. -Lực khởi động nhỏ, quán tính bé, tiết kiệm điện năng. 3.3.1. Các thông số cho trước Hệ quang trong ống kính của camera chuyên dụng gồm bốn thấu kính, tiêu cự chung của cả hệ là 25 mm. Cách bố trí hệ quang được mô tả như trên hình 3-6. Các thông số của hệ quang: Tiêu cự . Hệ số phản xạ . Hệ số truyền qua . Độ rọi . Chọn cỡ của chíp CCD là loại 18 mm (2/3 inch) (hình 3.7). 3.3.2. Thông số thiết kế Xét tam giác (hình 3-8), áp dụng hệ thức lượng trong tam giác, ta có: (3.24) Trong đó: (D là đường kính trung bình của Diafram); ( là tiêu cự của ống kính; z’ là khoảng cách từ tiêu điểm đến mặt phẳng ảnh). Ta được: hay (3.25). Trong (3.24) và (3.25), u’ là góc mở ảnh. Thay (3.25) vào (3.22), ta được: (3.26) Biểu thức (3.26) cho thấy, hàm độ rọi E’ phụ thuộc trực tiếp vào độ chói B và thông số D của Diafram. Rõ ràng là, với một độ rọi xác định, khi D tăng thì B giảm hoặc ngược lại. Ta lại có (chú ý đến (3.17); (3.22) và hình 3-7): (3.27) Trong đó Khi tính toán thiết kế, phải tính để chế tạo . Vậy: Vì , nên coi . Vậy ta được: 3.3.3. Thiết kế biên dạng của các lá chắn đóng - mở Diafram Biên dạng các lá chắn có dạng đường xoắn ốc Ác-si-mét, nghĩa là có bán kính vector biên dạng thay đổi từ đến với một góc quay hữu hạn (quay không toàn vòng). Ứng với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là lớn nhất, và với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là nhỏ nhất. Các lá chắn này được gắn trực tiếp vào trục quay của động cơ một chiều dạng tay đưa (xem chương 4, phần thiết kế-tính toán hệ dẫn động). Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản 4.1.1.1. Từ trường chính và từ trường cản Trong máy điện, các cực từ có cực tính khác nhau, bố trí đan xen nhau, từ thông đi từ cực bắc N, qua khe hở phần ứng về cực nam S làm thành mạch kín. Từ thông này, gọi là từ thông chính , cảm ứng nên sức điện động (s.đ.đ) trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây quấn sinh ra mô men. Phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông cản , không cảm ứng nên s.đ.đ và mô men trong phần ứng, nhưng nó làm cho bão hòa từ và gông từ tăng lên. Vậy, từ thông cực đại là: (4.1) Với là hệ số tản từ, thường . 4.1.1.2. Sức từ động cần thiết sinh ra từ thông. Theo định luật toàn dòng điện, trong mạch từ kín, tổng s.đ.đ bằng tích phân vòng của cường độ từ trường trong mạch trong mạch từ đó: (4.2) Nếu chia mạch từ làm năm đoạn: khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ. Khi đó (4.2) trở thành: (4.3) Trong đó , r, u, c, g lần lượt là chỉ số chỉ khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ; h là chiều cao; l là chiều dài. - sức từ động cho một đôi cực. Nếu ở trong không khí, cường độ từ trường cho bởi: (4.4) Với là từ cảm trên các đoạn, , , là từ thông, tiết diện, hệ số từ thẩm của các đoạn. Do trong sắt từ, thay đổi, nên tìm H theo đường đặc tính từ hóa vật liệu. a. Tính sức từ động khe hở Giả sử đường cong phân bố từ cảm là hình chữ nhật, chiều cao ; đáy , b’ là cung tính toán lực từ; là bước cực - khoảng cách giữa hai cực từ tính trên chu vi phần ứng (D là đường kính phần ứng, p là số đôi cực); là hệ số tính toán của cung cực từ. Nếu kể đến khe hở răng, khi đó: (4.5) Trong đó: (4.6) là hệ số khe hở ( là bước răng; là chiều rộng đỉnh răng). Khi chiều dài lõi sắt có rãnh thông gió hướng tâm, thay b’ bởi gọi là chiều dài tính toán phần ứng, với: (4.7) Trong đó: - chiều dài cực từ theo trục máy; - chiều dài lõi sắt phần ứng không tính đến rãnh thông gió; - chiều dài thực lõi sắt; - số rãnh và chiều rộng rãnh thông gió. Vậy, với từ thông chính nào đó, từ cảm khe hở: (4.8) S.t.đ khe hở: (4.9) b. Tính s.t.đ răng Xét một tiết diện đồng tâm với mặt phần ứng, cách đỉnh răng một khoảng x. Khi đó: (4.10) Trong đó: - từ thông đi qua răng; - từ thông đi qua rãnh. Chia hai vế (4.10) cho tiết diện mặt cắt của răng; (4.11) Đại lượng gọi là từ cảm tính toán của răng; (4.12). Trong đó: - tiết diện của rãnh; - từ cảm và cường độ từ trường trong tiết diện rãnh đã cho; (4.13)- hệ số răng phụ thuộc vào kích thước răng và rãnh; - tiết diện bước răng ở độ cao x; - bước răng ở độ cao x; - chiều dài lõi sắt; - hệ số ép chặt lõi sắt. Khi mặt cắt hình trụ ngang răng và rãnh ở độ cao x là đẳng trị của từ trường thì . Do đó, theo (4.11) và (4.12) ta có: (4.14) (4.15) Trong đó: - chiều dài tính toán và chiều dài thực lõi sắt; - chiều rộng răng ở độ cao x; - hệ số ép chặt; - bước răng phần ứng. Trị số tính toán của cường độ từ trường trung bình bằng: (4.16) Nếu gọi là chiều cao răng, s.t.đ răng đối với một đôi cực là: (4.17) c. Sức từ động ở lưng phần ứng Từ cảm ở lưng phần ứng cho bởi: (4.18). Trong đó: - từ thông phần ứng; - tiết diện lưng phần ứng; - chiều cao phần ứng. Vậy, sức từ động trên lưng phần ứng sẽ là: (4.19) d. Tính sức từ động trên cực từ và gông từ Từ thông đi qua dưới cực từ lớn hơn từ thông chính , , với . Từ thông trong gông từ bằng: . Nếu coi từ thông trên cực từ và gông từ không đổi, từ cảm trên cực từ và gông từ bằng: (4.20). Trong đó: - tiết diện cực từ và gông từ. Vậy, s.t.đ trên cực từ và gông từ bằng: (4.21). Trong đó: - chiều cao cực từ; - chiều dài trung bình của gông từ. 4.1.1.3. Quan hệ điện - từ trong máy điện một chiều. a. Mô men điện từ và công suất Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn có giá trị: (4.22) Mô men điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng là: (4.23). Trong đó: N- tổng số thanh dẫn của dây quấn; - dòng điện trong mạch nhánh; - từ cảm trung bình của khe hở; số đôi mạch nhánh; l- chiều dài tác dụng của thanh dẫn; D- đường kính ngoài phần ứng. Vì nên: (4.24). Trong đó: - từ thông dưới mỗi cực, Wb; - hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện. Công suất ứng với mô men điện từ đưa ra gọi là công suất điện từ: (4.25). Trong đó: M- mô-men điện từ; - vận tốc góc phần ứng; Thay (4.24) vào (4.25), nhận được: (4.26) b. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng Công suất mà động cơ điện nhận được từ lưới vào là: (4.27). Trong đó: - dòng điện từ lưới vào ( là dòng điện vào phần ứng; là dòng điện kích thích); U- điện áp ở đầu cực máy. Công suất , một phần cung cấp cho mạch kích thích , một phần đi vào phần ứng , tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trên mạch phần ứng , còn lại là công suất điện từ: (4.28) Công suất điện từ, sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù vào công suất không tải . Cuối cùng, phần còn lại là công sụất đưa ra ở đầu trục . Vậy: (4.29) Từ (4.27) và (4.28), ta có công suất trong mạch phần ứng là: (4.30) Chia hai vế của (4.30) cho , ta được: (4.31) Phương trình (4.31) được gọi là phương trình cân bằng s.đ.đ của động cơ điện một chiều. Mặt khác, từ (4.29) ta có: hay (4.32). Trong đó: - mô-men đưa ra đầu trục máy; - mô-men không tải. Quan hệ (4.32) gọi là phương trình cân bằng mô-men của động cơ điện một chiều. 4.1.1.4. Đặc tính của động cơ điện một chiều a. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ n = f(M) có thể xác định bằng biểu thức: (4.33) Vì , nên (4.33) trở thành: (4.34) Trong đó, - là hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy và dây quấn. Để xác định điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động, ta xét các đặc tính M = f(n) của động cơ và của tải. Ở hình 4-11a, sự tăng tốc ngẫu nhiên nào đó () thì và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độ ban đầu ứng với điểm P. Cũng như vậy, khi giảm tốc độ đột nhiên , động cơ được gia tốc và đạt tốc độ . Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định. Vậy điều kiện làm việc ổn định của động cơ sẽ là: (4.35) Ở hình 4-11b, M = f(n) và Mc = f(n) thì việc tăng tốc độ đột nhiên sẽ làm cho động cơ có mô-men gia tốc dương, khiến cho tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ làm cho tốc độ tiếp tục giảm. Vậy, truyền động làm việc không ổn định khi: (4.36) Từ (4.24) có thể thấy rằng, để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng . b. Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập Với những điều kiện khi M (hoặc In) thay đổi, từ thông của động cơ cũng hầu như không đổi, do ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ nên (4.34) có thể viết lại như sau: (4.37) Đặc tính cơ của động cơ kích thích song song là một đường thẳng như hình 4-12. Đây còn được gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Vì rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ 0 đến định mức, tốc độ giảm rất ít (từ tốc độ định mức) do đó đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Động cơ điện kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. c. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích là dòng điện phần ứng . Vì vậy có thể biểu thị: (4.38) Trong đó - hệ số tỷ lệ, khi , khi , hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hòa của mạch từ. Vậy, biểu thức mô-men sẽ có dạng: (4.39) Thay (4.39) vào (4.34), ta được: (4.40) Nếu bỏ qua thì: , hay (4.41) Quan hệ (4.41) cho thấy, khi mạch từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng hypecbol bậc hai (đường 1 trên hình 4-13). Rõ ràng, với động cơ này, n giảm rất nhanh khi M tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0), M có trị số rất lớn. Thực tế, do ảnh hưởng của bão hòa khi tải tăng, tốc độ của động cơ giảm ít hơn theo đường nét đứt (hình 4-13). d. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. Động cơ này có thể được chế tạo sao cho tác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc bù nhau hoặc ngược nhau. Song thường sử dụng loại động cơ điện kích thích hỗn hợp bù vì động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù nằm trung gian giữa hai loại động cơ kích thích song song và kích thích nối tiếp. Đặc tính cơ của các loại động cơ điện nói trên như hình 4-14. Trong đó, đường 1- động cơ điện kích thích hỗn hợp bù; đường 2- động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược; đường 3- động cơ điện kích thích song song; 4- động cơ điện kích thích nối tiếp. 4.1.1.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều gồm các quan hệ n, M, khi . Từ (4.33) và (4.34), ta thấy rằng, về căn bản đặc tính tốc độ có dạng giống các đặc tính cơ. Hình 4-15a mô tả các đặc tính tốc độ của các động cơ theo đơn vị tương đối. Trong đó đường 1- động cơ kích thích song song; đường 4- động cơ kích thích nối tiếp; đường 2 và 3 có tính chất trung gian giữa 1 và 4 - ứng với động cơ kích thích hỗn hợp. Đặc tính mô-men khi biểu thị quan hệ . Ở động cơ kích thích song song nên M phụ thuộc vào theo quan hệ đường thẳng (đường I). Ở động cơ kích thích nối tiếp do đó và dạng đặc tính mô-men là đường parabol (đường IV). Ở động cơ kích thích hỗn hợp, đường đặc tính mô-men là đường trung gian giữa I và IV (đường II và III). Đặc tính hiệu suất khi của các loại động cơ một chiều có dạng như hình 4-15b. Hiệu suất cực đại của động cơ điện một chiều thường được tính toán với dòng điện tải , lúc đó các tổn hao cơ và tổn hao sắt từ bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào điện trở các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện . Hiệu suất các động cơ nhỏ . Ở động cơ công suất trung bình và lớn . 4.1.2. Chọn dạng, tính toán và thiết kế động cơ. Các yêu cầu của động cơ: -Tác động nhanh, nhạy và chính xác khi có tín hiệu điều khiển. -Quán tính bé, độ ổn định cao. -Tiêu thụ ít điện năng, ít tổn hao công suất. -Nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành hạ. Để thỏa mãn các yêu cầu trên và do yêu cầu về công suất không cao, nên ta chọn động cơ dạng điện kế từ điện (VOM). Động cơ thiết kế có cấu tạo tương tự như động cơ điện kích thích độc lập với cực từ là nam châm vĩnh cửu. Rô to được chế tạo theo kiểu phần ứng rỗng, dẹt và không quay toàn vòng. a. Nam châm [12] được chế tạo từ thép hợp kim Fe-Ni-Al (alni) được dùng làm nam châm vĩnh cửu mạnh, kích thước bé. Giá trị rất cao: và cảm ứng từ dư . Ở đây ta sử dụng nam châm dạng lá phẳng, hình vòng cung, góc chắn cung là , chiều rộng bản l = 12 mm. Để tạo ra từ trường đều, ta ghép hai nam châm hoàn toàn như nhau, song song với nhau như mô tả trên hình 4-17. Chọn nam châm có từ cảm B = 0,8 T. b. Dây quấn phần ứng bằng đồng, tiết diện tròn, bọc sơn cách điện và được quấn sao cho các cạnh tác dụng của chúng nằm ở giữa hai nam châm và đi qua tâm các nam châm. Góc giữa các cạnh tác dụng của chúng là . Số vòng dây quấn là vòng, chiều dài mỗi vòng dây quấn như vậy sẽ là (hình 4-16): c. Góc quay lớn nhất của động cơ là , với tốc độ quay chọn là . Cường độ dòng điện cấp vào phần ứng của mỗi động cơ là , điện áp trên đầu cực mỗi động cơ là . Công suất điện mà mỗi động cơ nhận được sẽ là (W). d. Do các tổn hao cơ, tổn hao phụ là nhỏ có thể bỏ qua, vì vậy theo (4.28), ta có: (4.42) Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn của mỗi động cơ theo (4.22), bằng: Mômen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng của mỗi động cơ theo (4.23), bằng: (4.43) Mặt khác, theo (4.25): (4.25’). Từ (4.42), (4.43), (4.25’) ta được: , hay: Trong đó: R, r- lần lượt là bán kính vành trong, vành ngoài của nam châm (R= 20 mm, r = 8 mm); - điện trở dây quấn phần ứng. Ta lại có: . Trong đó: - là điện trở suất của đồng; - chiều dài của dây quấn; - bán kính tiết diện dây dẫn. Ta rút ra: Vậy đường kính của dây quấn phải là . *). Để khử khe hở, tránh va đập khi động cơ đảo chiều quay và nâng cao độ ổn định cho hệ thống, ta dùng lò xo xoắn Ác-si-mét gắn vào trục quay của mỗi động cơ. Tuy nhiên, ở trạng thái tĩnh mômen quay , tác dụng lên trục quay được cân bằng với mômen phản tác dụng của lò xo: , với c là độ cứng của lò xo; nhưng khi đưa hệ thống ra khỏi vị trí cân bằng, dấu của thay đổi làm hệ thống chuyển động qua lại vị trí cân bằng, nên xuất hiện dao động riêng của hệ thống. Lợi dụng từ trường của nam châm, ta sẽ xác định độ cứng của lò xo cho phù hợp, khi đó dao động riêng của hệ thống sẽ được khử. Mô hình hóa hệ thống như hình 4-16*. Áp dụng định lý biến thiên mômen động lượng đối với trục quay, ta có [9]: (*) Trong đó: là mômen quán tính của hệ thống đối với trục quay. Do nhỏ, nên ta coi gần đúng ta nhận được phương trình vi phân dao động của hệ: (**) Hay: (3*) Đặt , phương trình (3*) trở thành: (4*) Theo lý thuyết phương trình vi phân tuyến tính, phương trình đặc trưng của (4*) là: (5*) Tùy theo quan hệ giữa và , có thể xảy ra các trường hợp sau: - lực cản nhỏ, (5*) có nghiệm . - lực cản tới hạn, (5*) có nghiệm . - lực cản lớn, (5*) có nghiệm . Như vậy, để hệ không có khả năng dao động, phải có: (6*) Trong các biểu thức trên: - độ cản (ở đây là độ cản từ); - tần số dao động riêng; c- độ cứng của lò xo; b- hệ số cản từ; m- khối lượng của hệ. Ta có: gam. Trong đó: - khối lượng riêng của đồng; - khối lượng riêng của nhôm. Theo [3], hệ số cản từ cho bởi công thức: (g.rad/s), trong đó: - cảm ứng từ khe hở; =1,2cm- chiều rộng cực từ; =a=1,4cm- khoảng cách từ tâm cực từ tới trục quay; =59,2- điện trở phần ứng. Khi đó: Thay các giá trị ở trên vào biểu thức (6*), nhận được: Vậy, để hệ thống ổn định, không dao động khi không có tín hiệu điều khiển, phải chọn lò xo xoắn Ác-si-mét có độ cứng gắn vào trục động cơ. 4.2. CẢM BIẾN QUANG VÀ CHỌN CẢM BIẾN QUANG 4.2.1. Một số cảm biến quang thông dụng 4.2.1.1. Phôtô điốt Phôtô điôt là các linh kiện quang điện tử bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang điện nội. Hiệu ứng này nói lên quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Nội dung của hiệu ứng quang điện nội: Dưới tác dụng của năng lượng bức xạ ánh sáng chiếu vào, trong miền chuyển tiếp p-n xảy ra sự ion hóa các nguyên tử của chất cơ bản và tạp chất làm sản sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc của chuyển tiếp, lỗ trống đi về bán dẫn loại p, điện tử đi về bán dẫn loại n hình thành hiệu điện thế dưới hai điện cực gọi là sức điện động . Mạch ngoài nối liền với chuyển tiếp p-n này sẽ có dòng điện chạy qua gọi là dòng phôtô . Phôtô điốt có thể làm việc trong hai chế độ: Chế độ phát phôtô (hình 4-18a). Chế độ bộ biến đổi quang điện (hình 4-18b). Chế độ phát phôtô: Khi cho tiếp xúc bán dẫn p-n ở mặt tiếp giáp tạo nên thế tiếp xúc . Khi chưa chiếu sáng và không tải (mở K), dòng khuyếch tán là dòng các hạt tải cơ bản cân bằng với dòng cuốn dòng các hạt tải không cơ bản: (4.44) Khi bán dẫn được chiếu sáng, cường độ bức xạ trong lớp chuyển tiếp p-n xảy ra sự ion hóa chất bán dẫn sinh ra những cặp điện tích lỗ trống và điện tử. Điện trường tiếp xúc của lớp chuyển tiếp làm cho lỗ trống bị cuốn về miền p, còn bị cuốn về miền n. Nghĩa là tạo nên một dòng bổ sung các hạt tải không cơ bản mới sinh ra đó. Mật độ dòng cuốn được xác định: (4.45) Dòng cuốn sẽ tăng lên vì có dòng bổ sung ta gọi là dòng phôtô . Khi đó dòng cuốn toàn phần: (4.46) - Dòng nhiệt khi chưa có chiếu sáng. Suất điện động có tác dụng như phân cực thuận làm giảm độ cao hàng rào thế năng làm giảm dòng khuyếch tán: (4.47) Trong trạng thái cân bằng nhiệt động (K mở) ta có đẳng thức: Thay vào ta có: (4.48) Từ đó giá trị trong chế độ không sinh dòng phôtô được xác định bằng phương trình: (4.49) không vượt quá giá trị vùng cấm của bán dẫn. Khi mắc tải vào (đóng K) dòng chạy qua và điện thế trên cực ngoài của phôtô điốt giảm xuống đến một giá trị nào đó: Khi đó dòng qua tải: (4.50) Từ đó thấy rằng trong chế độ đóng đoản mạch : dòng qua tải chính là dòng phôtô. Khi mắc điện áp ngược ngoài (chế độ biến đổi quang – điện). Khi chưa chiếu sáng chỉ những hạt không cơ bản của riêng chuyển tiếp p-n chuyển động cuốn: Dòng khuyếch tán không có là do dưới tác dụng của nguồn ngoài E, trường bên trong được tăng thêm và hàng rào thế tăng lên. Khi đó một phần lớn điện áp của nguồn ngoài E sụt trên lớp chuyển tiếp có thiên áp ngược, có trở lớn đó là thế . Khi chiếu sáng vào chuyển tiếp p-n nhờ quá trình ion hóa các nguyên tử của tinh thể làm sinh ra các cặp điện tích bổ sung. Các điện tích này được chuyển động định hướng. Như vậy qua tải sẽ có dòng: (4.51) Sự phụ thuộc của dòng qua phôtô điốt vào điện áp đặt vào xác định bằng đặc trưng V-A của điốt (dòng ngược): Hình 4-19a mô tả họ đặc trưng V-A khi . Khi chỉ có dòng nhiệt đi qua điốt. Khi chiếu sáng thì bão hòa tăng tỷ lệ với . Hình 4-19b mô tả đặc trưng chiếu sáng của phôtô điốt. Đó là sự phụ thuộc của dòng quang điện vào cường độ quang thông chiếu vào: . Khi họ đặc trưng là tuyến tính. Từ đặc trưng chiếu sáng ta xác định được độ nhạy tích phân của phôtô điốt: . Dòng cũng phụ thuộc bước sóng ánh sáng chiếu vào. Đó là đặc trưng phổ của phôtô điốt. (hình 4-19c mô tả đặc trưng phổ của điốt loại Ge). Phôtô điốt được dùng để ghi nhận bức xạ ánh sáng. Ví dụ sử dụng trong hệ thu tín hiệu điều khiển từ xa của các TV, đầu video, đầu CD… 4.2.1.2. Phôtô transistor Phôtô transistor là linh kiện quang điện tử bán dẫn, nó là phần tử nhạy quang có cấu trúc như một transistor hoạt động như phôtô điốt nhưng có khả năng khuyếch đại dòng quang điện. Ánh sáng có thể dọi vào B, C, E hoặc đồng thời cả ba miền. Tương tự như transistor, phôtô transistor cũng có hai loại p-n-p và n-p-n. Kí hiệu và cấu tạo của phôtô transistor được mô tả trên hình 4-20 Phôtô transistor có thể mắc trong sơ đồ đo quang theo ba cách như transistor thông thường BC, CC, EC chỉ khác là sơ đồ có thể để trống một chân không mắc. Trên hình 4-21 mô tả các sơ đồ mắc phôtô transistor. Đặc tuyến von-ampe của phôtô transistor được mô tả trên hình 4-22. Trong đó: ; - quang thông; , với - dòng quang điện; - dòng tối khi không có ánh sáng dọi vào ; - dòng ngược của lớp tiếp giáp CB trong sơ đồ bazơ chung. Sự phụ thuộc của dòng colectơ vào quang thông: . Trong đó: - độ nhạy tích phân của phôtô transistor; - quang thông; , với - hệ số khuyếch đại dòng; - dòng bazơ. Phôtô transistor được ứng dụng trong điện báo quang, đo quang thoại lối vào và lối ra thông tin, trong kỹ thuật máy tính, điện ảnh, ghi nhận các ánh sáng nhìn thấy và không nhìn thấy (các mắt thần sensor trong các TV, video, CD có điều khiển từ xa). Phôtô transistor trường Cấu trúc của phôtô transistor trường được mô tả trên hình 4-23. Giữa các bán dẫn loại n ở cực S và D, người ta tạo kênh dẫn loại n. Dòng chạy trong kênh dẫn là dòng các hạt tải điện cơ bản. Khi chiếu sáng ở gần lớp chuyển tiếp giữa kênh dẫn n và đế bán dẫn loại p, các cặp điện tử, lỗ trống dịch chuyển theo hai chiều ngược nhau tạo nên dòng quang điện qua cực cửa, gây sụt áp trên điện trở làm thay đổi điện áp cực cửa. Sự thay đổi dòng cực máng cũng tương tự như là transistor trường thông thường: . Độ nhạy của phôtô transistor trường: . Độ nhạy của phôtô transistor trường lớn hơn nhiều so với độ nhạy của phôtô transistor. Điện trở lối vào của transistor trường lớn, nó có thể làm việc với tín hiệu lớn. Dải truyền . 4.2.1.3. Điện trở quang Điện trở quang là linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp p-n. Vật liệu chế tạo điện trở quang có thể là CdS, CdSe, ZnS hay các tinh thể hỗn hợp khác. Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện của điện trở quang tăng do các hạt mang điện tích sinh thêm: (4.52). Trong đó: - điện tích của electron; n, p- mật độ electron và lỗ trống; - độ linh động của electron và lỗ trống. Trong cơ chế gia tăng các hạt mang điện tích do sự chiếu sáng, ta có chiều dài sóng giới hạn . Các phôtôn có độ dài sóng lớn hơn không làm sản sinh ra thêm các hạt mang điện tích. . Trong đó: - chiều dài sóng giới hạn tùy theo độ rộng vùng cấm ; - vận tốc ánh sáng trong chân không; h- hằng số Planck. Khi bức xạ có chiều dài sóng , bán dẫn có thể hấp thụ và một cặp electron-lỗ trống được sinh ra. Các đặc tính quan trọng của điện trở quang a. Độ dẫn suất- là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng: . b. Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ- là hàm số của khi mật độ năng lượng không đổi (hình 4-25): c. Vận tốc làm việc- là thời gian hồi đáp (reponse time) của quang trở khi có sự thay đổi từ sáng sang tối (decay) hay từ tối sang sáng (rise). Thời gian lên được xác định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65% trị số cuối cùng khi được chiếu sáng từ 0 sang 10 lux. Thời gian trễ được xác định là thời gian cần thiết để quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với trị số lúc được chiếu sáng- khoảng 10 lux trong 1 s) khi không còn được chiếu sáng. Với cường độ sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh hơn và có khuynh hướng làm việc chậm lại khi trời lạnh. d. Độ lợi - được biểu diễn bằng hai cách: hoặc được xác định bởi số điện tích chạy qua giữa hai điện cực trong mỗi giây cho mỗi photon hấp thụ; hoặc được diễn tả bởi tỷ lệ giữa thời gian sống của một điện tích tự do với thời gian để nó vượt qua giữa hai điện cực: Độ lợi (4.53). Trong đó: - thời gian sống của điện tích tự do; - độ linh động của điện tích; V- điện thế làm việc; L- khoảng cách giữa hai điện cực. e. Tiếng ồn – NEP (noise equivalent power) Trong việc xử lý tín hiệu, đặc biệt là khi tín hiệu bé, chúng ta phải đối phó với tiếng ồn (noise). Do nhiều nguyên nhân khác nhau chúng ta có nhiều loại tiếng ồn. Ví dụ tiếng ồn nhiệt, nó là hiệu ứng do sự phân tải đồng đều năng lượng nhiệt theo mọi hướng. Các hạt tự do nhận lấy các dao động nhiệt này (hình 4-26a ) và chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, gọi là tiếng ồn điện tử. Đây là hiện tượng luôn tồn tại mà không cần có tác động của bất cứ lực hay điện từ trường nào từ bên ngoài. Như vậy trong mỗi điện trở đều có điện thế tiếng ồn (noise voltage) do sự dao động nhiệt của các electron. Tần số điện thế này trải dài từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất. Tiếng ồn được gọi là “trắng” khi mật độ công suất tiếng ồn dP/df không tùy thuộc vào tần số. Với sai số cho phép, tiếng ồn trong điện trở được coi như “trắng”: Ws (4.54) Công suất tín hiệu của một cảm biến chỉ có thể đo được khi nó lớn hơn công suất tiếng ồn nhiệt gây ra. Để mô tả tiếng ồn của một mạch khuyếch đại người ta thường dùng đến hệ số tiếng ồn (noise factor) F (hình 4-26b). Trong đó là công suất tín hiệu của nguồn tín hiệu và là công suất tiếng ồn nhiệt do điện trở của nguồn tín hiệu gây ra. Ta có ngõ vào của mạch khuyếch đại tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn . Sau mạch khuyếch đại ta có công suất tín hiệu và công suất tiếng ồn với tải . Như vậy ở ngõ ra của mạch khuyếch đại ta có tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn . Khi mạch khuyếch đại không có tiếng ồn, hai tỷ lệ này bằng nhau vì tín hiệu và tiếng ồn cùng được khuyếch đại như nhau. Do vậy tình trạng “xấu đi” của tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn là thước đo mạch khuyếch đại có tiếng ồn nhiều hay ít, và tỷ lệ này sau mạch khuyếch đại chỉ có thể tồi hơn mà thôi. Hệ số tiếng ồn được định nghĩa: (4.54) (4.55) Mạch khuyếch đại lý tưởng có hệ số F = 1 hay . Người ta định nghĩa công suất tiếng ồn tương tự NEP (noise equivalent power) là trị số hiệu dụng công suất xoay chiều của công suất bức xạ có biến điệu 100% để có tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn bằng 1. (4.56) Đại lượng nghịch đảo của NEP gọi là detectivity D là khả năng dò tìm của một detector: (4.57) Nếu A là diện tích tích cực của một detector và trong trường hợp trị số NEP tỷ lệ với và (trong trường hợp cường độ bức xạ trên cảm biến không thay đổi) ta có một biến tướng của D: (4.58) f. Hệ số nhiệt độ của quang trở, tỷ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng. Do đó, để giảm bớt sự thay đổi trị số của quang trở theo nhiệt độ, quang trở cần được cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa. Ở mức chiếu sáng thấp và trị số quang trở cao cho ta sự sai biệt khá lớn so với trị số chuẩn. g. Điện trở tối (dark resistance), nó cho ta “dòng điện rò” lớn nhất với một điện thế trên quang trở. Dòng rò quá lớn sẽ dẫn đến sự sai lệch khi thiết kế mạch điện. h. Đặc tính độ dốc, là quan hệ giữa sự thay đổi của trị số quang trở với sự thay đổi của cường độ chiếu sáng, được biểu diễn bằng thông số (gamma). Thông số này được định nghĩa bởi một đường thẳng nối liền hai điểm đặc biệt trên đường cong quang trở với mức chiếu sáng 10 lux và 100 lux (hình 4-27). k. Điện thế hoạt động, có thể lên đến 0,5kV/mm. Trị số công suất tiêu tán cao nhất hạn chế trị số dòng điện và điện thế. Điện thế hoạt động cao nhất được đo khi quang trở hoạt động trong bóng tối. l. Công suất tiêu tán cao nhất. Khi hoạt động, nhiệt độ bên trong quang trở cần giữ thấp hơn một nhiệt độ cho phép, ví dụ . Hình 4-28 mô tả sự liên hệ giữa công suất tiêu tán cao nhất và nhiệt độ bên ngoài. 4.2.2. Chọn cảm biến. Trên đây là một số cảm biến thường dùng trong các camera ghi hình cũng như máy chụp hình. Ta có thể thấy rằng, so với quang trở, phôtô điôt và phôtô transistor có các ưu điểm sau: Nhạy sáng hơn với trường hợp ánh sáng yếu; Gần giống với quang phổ nhạy sáng của mắt con người, phản ứng với sự thay đổi ánh sáng nhanh hơn. Đặc trưng kỹ thuật về dòng điện và điện thế tuyến tính so với cường độ chiếu sáng. Tuy vậy, hiện trên thị trường có rất ít phôtô điốt và phôtô trasistor sử dụng trong miền ánh sáng nhìn thấy. Do đó trong khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp, để cho thuận tiện, cảm biến được chọn là quang trở mà hiện nay đang được bán rất nhiều. Nói chung, qua chạy thử nghiệm, tác giả nhận thấy rằng, độ nhạy và khoảng làm việc tuyến tính đủ để thực hiện ý tưởng trong thiết kế - chế tạo mô hình. 4.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ. Mạch điện tử điều khiển bốn động cơ mắc song song đóng mở Diafram được thiết kế dựa vào mạch bộ so tương tự, bộ này so sánh giá trị tín hiệu của đầu vào với mức điện áp chuẩn còn gọi là ngưỡng của bộ so. Nó phát ra tín hiệu điện áp bão hòa dương khi giá trị tín hiệu lớn hơn giá trị chuẩn, và bão hòa âm khi giá trị tín hiệu dưới mức chuẩn. Các bộ so phải rất ổn định, chính xác và phải thay đổi trạng thái từ bão hòa dương sang bão hòa âm đối với sự thay đổi rất nhỏ của giá trị đầu vào. Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển này, ta tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số bộ so có dạng là một OP-AMP. 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý của 709. 709 là một OP-AMP có 8 chân, sơ đồ khối và bố trí chân cho trên hình 4-29 Chân 2, 3 là các lối vào của mạch. Chân 6 là lối ra của mạch. Chân 1, 8 là chân bù trừ tần số lối vào. Chân 5 là chân bù trừ tần số lối ra. Chân 7 là chân nguồn . Chân 4 là chân nguồn . Mạch được nuôi bằng nguồn đối xứng . Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau (hình 4-29): Mạch sử dụng hai loại transistor n-p-n và p-n-p, và được chia làm bốn tầng: Tầng I: Là tầng khuyếch đại vi sai gồm 2 transistor và hai điện trở gánh được nuôi bởi nguồn dòng không đổi tạo nên bởi . Nguồn này phát ra dòng rất nhỏ. Đây là nguồn dòng có phản hồi âm đi qua hai đường và . Hai mạch phản hồi âm này bù trừ cho nhau làm thế không đổi giữ cho dòng . Transistor có chức năng làm mạch ổn áp để nuôi tầng khuyếch đại vi sai đầu tiên. Điện áp để nuôi tầng khuyếch đại vi sai là điện áp ở emitor của transistor . Giả sử một nguyên nhân nào đó làm giảm đi thì cũng giảm dần tới tăng và kéo theo cũng tăng. Nhờ tầng khuyếch đại vi sai này mà mạch khuyếch đại có khả năng triệt tín hiệu đồng pha và nhờ đó mà mạch có hệ số phẩm chất cao. Tầng II: Là tầng khuyếch đại vi sai gồm các transistor và hai điện trở gánh mắc theo sơ đồ khuyếch đại Darlington. Transistor được đấu theo kiểu điốt cùng với hai điện trở để bù trừ nhiệt cho lớp tiếp xúc BE của transistor . Tầng khuyếch đại này có điện trở lối vào rất lớn, hệ số khuyếch đại rất lớn. Tầng III: Gồm các transistor làm thành một tầng dịch mức để hạ thấp mức điện áp một chiều ở lối ra của tầng khuyếch đại vi sai thứ hai sao cho phù hợp với mức điện áp lối vào của tầng khuyếch đại công suất lối ra. Tầng IV: Là tầng khuyếch đại công suất ra gồm các transistor . Trong đó được mắc theo kiểu emitor chung và trở tải là tạo thành tầng tiền khuyếch đại công suất là hai transistor có độ dẫn khác nhau n-p-n và p-n-p được mắc theo sơ đồ kiểu đẩy kéo. Nửa chu kỳ dương và ngắt và ngược lại. Cách mắc này thường dùng để khuyếch đại công suất. Để nâng cao tính ổn định của tầng khuyếch đại công suất, người ta dùng làm mạch phản hồi âm. Về thực chất, khuyếch đại kéo đẩy cũng là sơ đồ mắc theo kiểu colector chung, nhưng thực hiện với hai transistor khác loại. Thật vậy, từ sơ đồ ta thấy được đấu theo sơ đồ colector chung với transistor đóng vai trò trở tải động của nó, mặt khác cũng được mắc theo kiểu colector chung với trở tải động của nó là . Tín hiệu pha ở chân 1, 8 ngược pha để sửa đặc trưng tần số. Người ta mắc nối tiếp giữa hai chân các tụ và điện trở để tạo mạch phản hồi âm. Tùy theo các giá trị của điện trở và tụ điện mà ta được các đặc trưng tần số có dạng khác nhau. Điện áp ở hai chân 5, 6 ngược pha nhau. Người ta thường mắc thêm tụ nối giữa hai chân này để sửa đặc trưng tần số của tín hiệu lối ra. 4.3.2. Sơ đồ nguyên lý của 741 Sơ đồ cấu trúc của 741 được mô tả trên hình 4-30. Tham số của bộ so 741 được cải thiện nhiều so với 709: điện áp vào cho phép cao hơn, bù lệch không đơn giản hơn, có mạch hạn dòng, có bù tần số bên trong mạch. Tầng vào mắc theo kiểu kaskode bù dùng transistor n-p-n có hệ số khuyếch đại dòng cao và transistor p-n-p có hệ số khuyếch đại dòng thấp. Trong mạch emitor tầng vào có nguồn dòng . Hệ số khuyếch đại điện áp tầng vào khoảng , dòng tĩnh rất nhỏ. Một bộ khuyếch đại vi sai gồm mắc theo kiểu cộng pha, biến điện áp vào đối xứng thành điện áp ra không đối xứng. Tầng thứ 2 mắc theo sơ đồ Darlington, có trở kháng vào lớn và có tải là . Mạch có hệ số khuyếch đại lớn hơn 50dB. Tầng công suất ra mắc theo kiểu đẩy kéo gồm được nối với mạch hạn dòng . Nếu dòng qua tăng quá giới hạn thì dòng qua bazơ tăng, dòng này qua làm cho dẫn, do đó dòng bazơ của bị hạn chế và tạo thành mạch dịch mức, nó được kết cấu sao cho dòng tĩnh tăng ra có giá trị khoảng . có tác dụng quyết định đối với dòng tĩnh của toàn mạch. Mạch bù tần số trong nhờ tụ làm cho đặc tính tần số của OP-AMP giảm với độ dốc -20dB/D trong khoảng tần số và tần số đơn vị . Ở tần số lớn hơn 5Hz, mạch Darlington gồm làm việc như một mạch tích phân. Mạch bù trong rất tiện lợi cho người sử dụng, nhưng trong một số trường hợp không cần thiết thì nó gây lãng phí về dải tần và tốc độ đáp ứng. Vì vậy người ta đã chế tạo 478 hoàn toàn tương đương với 741 nhưng không có mạch để bù trong. Trên đây là hai loại OP-AMP rất thông dụng, trong mạch điện điều khiển động cơ dưới đây sẽ chọn OP-AMP 741. 4.3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển động cơ đóng – mở Diafram. Sơ đồ nguyên lý của mạch điện điều khiển động cơ đóng – mở Diafram được mô tả trên hình 4-31. Tín hiệu điện áp chuẩn ứng với mức cường độ sáng xác định trước từ camera được đưa vào chân số 3 (ngõ vào không đảo) của OP-AMP 741, một thang điện trở biến đổi sẽ thiết lập các giá trị chuẩn ở các mức khác nhau. Quang trở LDR có trị số điện trở thấp khi cường độ ánh sáng lớn và ngược lại có trị số điện trở cao khi cường độ ánh sáng thấp, được bố trí ở ngõ vào không đảo (chân số 2). Khi trị số điện trở tăng (khi cường độ ánh sáng thấp), điện áp ở ngõ vào đảo của các OP-AMP thấp hơn điện áp ngõ vào không đảo, do đó, ở ngõ ra (chân số 6) của các OP-AMP bão hòa dương, các transistor ngưng dẫn. Trong khi đó các transistor dẫn và khuếch đại dòng từ chân 6 của OP-AMP(2) qua động cơ và về đất, lúc này động cơ quay thuận. Ngược lại, khi trị số điện trở giảm (khi cường độ ánh sáng cao), điện áp ngõ vào đảo của các OP-AMP lớn hơn điện áp ngõ vào không đảo, ở ngõ ra của các OP-AMP bão hòa âm, các transistor ngưng dẫn. Khi đó dẫn và khuyếch đại dòng từ đất qua động cơ về chân 6 của OP-AMP(1), lúc này động cơ quay ngược. Trong trường hợp cường độ sáng qua Diafram bằng mức cường độ sáng đặt, tất cả các transistor đều khóa, khi đó dòng qua động cơ bằng không và động cơ không hoạt động. Trong mạch này, các transistor là loại n-p-n, còn là loại p-n-p. Để tăng độ nhạy của mạch điện, các transistor đều mắc theo sơ đồ Darlington. Các điện trở hồi tiếp âm cho các OP-AMP cũng có tác dụng làm cho mạch điện nhạy hơn. Mạch điện này nói chung hoạt động rất nhạy và tiêu thụ rất ít điện năng. Tuy nhiên, mạch điện này cũng có nhược điểm, nhược điểm chủ yếu ở mạch điện này là quang trở, như đã nói ở mục (4.2.1.3), từ đặc tính độ dốc có thể thấy, do sự không tuyến tính giữa cựờng độ ánh sáng với trị số điện trở của quang trở, làm cho dòng điện vào động cơ không ổn định. Trong khi độ nhạy của động cơ là rất cao, chỉ cần dòng điện nhỏ vài mmA cũng khiến động cơ quay, do đó sự không ổn định của mạch điện sẽ ảnh hưởng không tốt đến quá trình đóng – mở Diafram. Nhược điểm trên sẽ được khắc phục khi dùng cảm biến là phôtô điốt hoặc phôtô transistor. Khi đó nếu thêm các OPA nhạy sáng, ta sẽ có được mạch điện điều khiển đóng mở Diafram tốc độ cao dùng trong các máy camera chuyên dụng, chẳng hạn trong kỹ thuật Quân sự. 4.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ 4.4.1. Tính toán thiết kế các lá chắn của Diafram Các lá chắn của Diafram có biên dạng xoắn ốc Ác-si-mét, nghĩa là có bán kính tác dụng thay đổi từ (ứng với đường kính lớn nhất của Diafram) đến (ứng với đường kính bé nhất của Diafram). Để quy luật biến thiên của đường kính Diafram là tuyến tính ứng với mỗi góc quay của động cơ, ta chia góc quay thành n phần bằng nhau và chia khoảng biến thiên bán kính tác dụng của lá chắn (cũng là khoảng biến thiên bán kính Diafram) thành n phần bằng nhau. Với độ chính xác cho phép, ta chọn n = 20, và để biên dạng cửa điều sáng do bốn lá chắn tạo nên tại các vị trí biên (ứng với ) không đổi, ta chọn góc giới hạn cho lá chắn là . Trước hết ta xét ma trận cosin chỉ hướng [8]: Cho vật B và hệ quy chiếu ; là hai vertor đơn vị trên các trục . Gắn chặt vào vật B hệ quy chiếu ; là hai vertor đơn vị trên các trục (hình 4-32). Khi đó ma trận vuông: (4.59) gọi là ma trận cosin chỉ hướng của vật B đối với hệ quy chiếu . Ta có: Thay vào (4.59), ta có: Bây giờ xét điểm M trên vật B, tọa độ điểm M trong hệ quy chiếu là ; trong hệ quy chiếu R là . Ta có: (4.60) Do là ma trận trực giao, nghĩa là . Vậy: (4.61) Quan hệ (4.61) là phép quay tọa độ từ hệ quy chiếu R sang hệ quy chiếu . Vậy còn được gọi là ma trận quay. *). Vậy, nếu biết trước quy luật biến đổi của đường kính Diafram qua tâm quay của lá chắn, nghĩa là tương ứng với một góc quay của lá chắn, biên dạng lá chắn sẽ là một điểm nào đó nằm trên đường kính này. Bằng cách dùng (4.61), ta sẽ xác định được các tọa độ thực trên biên dạng lá chắn. *). Nếu chia góc thành n phần bằng nhau [5], mỗi khoảng chia như vậy sẽ là một góc ; chọn , ta có: và Lần lượt cho các góc của lá chắn các giá trị bằng: , với ; tương ứng sẽ có . Lần lượt thay các giá trị này vào, ta có bảng kết quả sau: k , độ , mm 0 0 19,75 1 0 1 6 20,65 0,99 0,1 2 12 21,55 0,98 0,21 3 18 22,45 0,95 0,31 4 24 23,35 0,91 0,41 5 30 24,25 0,87 0,5 6 36 25,15 0,81 0,59 7 42 26,05 0,74 0,67 8 48 26,95 0,67 0,74 9 54 27,85 0,59 0,81 10 60 28,75 0,50 0,87 11 66 29,65 0,41 0,91 12 72 30,55 0,31 0,95 13 78 31,45 0,21 0,98 14 84 32,35 0,1 0,99 15 90 33,25 0 1 16 96 34,15 -0,1 0,99 17 102 35,05 -0,21 0,98 18 108 35,95 -0,31 0,95 19 114 36,85 -0,41 0,91 20 120 37,75 -0,5 0,87 Các giá trị ứng với các góc quay sẽ là: Các tọa độ của các điểm khác nhau trên biên dạng thực của lá chắn được suy ra từ các giá trị trên đây bằng cách quay tọa độ quanh sang hệ tọa độ bằng các góc tương ứng (hình 4-33), tức là: Ta có: Sau khi có các điểm tọa độ này, tiến hành nối chúng lại ta sẽ có biên dạng lá chắn (mô tả trên hình 4-34); góc tác dụng nằm trong khoảng ứng với tọa độ , đó là góc quay thực của lá chắn: . Bây giờ ta xác định sự phụ thuộc giữa góc quay của lá chắn (cũng là góc quay của động cơ) với độ rọi của vật E và độ rọi của ảnh E’. Phương trình đường xoắn ốc Ác-si-mét có dạng: Quy luật biến thiên khẩu quang (Diafram) có dạng: , trong đó a = 74 mm là khoảng cách giữa hai trục quay đối nhau, xác định theo (3.27): Công thức này cho ta mối quan hệ trực tiếp giữa góc quay của động cơ với độ rọi của ảnh. Tốc độ đóng - mở của Diafram được xác định bởi: Gọi là vận tốc đóng-mở Diafram ở vị trí ứng với điểm có tọa độ trên biên dạng lá chắn, ta có: (4.62) Với: (4.63) Thay các cặp giá trị như tính được như ở trên vào (4.62) và (4.63) với chú ý: (4.64) Ta sẽ được các giá trị vận tốc đóng – mở Diafram ứng với các điểm khác nhau trên biên dạng lá chắn. Với cách tính toán biên dạng như trên đây, rõ ràng các giá trị vận tốc là không đổi. Các giá trị này và các giá trị tương ứng cho ta quan hệ biểu thị quy luật biến thiên vận tốc của khẩu quang. Để tạo nên vòng chắn sáng, ta sử dụng bốn lá chắn giống nhau, có biên dạng và kích thước như thiết kế trên đây. Bốn lá chắn này gắn trực tiếp lên trục quay của bốn động cơ được bố trí ở bốn góc của một hình vuông, có kích thước đường chéo là 74 mm. 4.4.2. Tính toán thiết kế trục động cơ 4.4.2.1. Thiết kế kết cấu và mô tả sự hoạt động của các chi tiết gắn lên trục. Do cấu tạo đặc biệt của động cơ, nên các chi tiết có kết cấu và được lắp ghép vào trục quay như sau (mô tả trên hình 4-35): Gối đỡ trục 5 được cố định lên đế 13 bằng bu-lông 1 và đai ốc 7, các ổ lăn 2 lắp ở hai đầu gối đỡ. Vòng trong các ổ lăn không dịch chuyển ra ngoài nhờ vòng đệm 8 và vai của gối đỡ. Vòng ngoài ổ lăn sẽ đỡ trục 10, ở đây là trục rỗng, được gia công chính xác hai đầu nơi lắp ổ lăn. Vòng ngoài của các ổ lăn không dịch chuyển ra ngoài nhờ các vòng hãm lò xo 12. 1. Bu-lông; 2. Ổ lăn; 3. Thân; 4. Nơi gắn lá chắn; 5. Gối đỡ; 6. Vòng đệm; 7. Đai ốc; 8. Vòng đệm; 9. Vòng hãm lò xo; 10. Trục; 11. Nơi gắn dây quấn; 12. Vòng hãm lò xo; 13. Đế. Để điều chỉnh khe hở ổ lăn, đồng thời cũng điều chỉnh sự thẳng góc giữa trục và bề mặt gia công của đế, bên dưới (đối với ổ phía trên) và bên trên (đối với ổ phía dưới) các vòng hãm lò xo 12 có các vòng đệm 6 bằng sắt tây, dày từ mm. Thân 3 được lắp bên ngoài trục, cố định với trục bởi vòng hãm lò xo 9. Các lá chắn sáng của Diafram gắn lên thân bởi các vít 4; phía đối diện với các lá chắn sáng là bối dây phần ứng của động cơ, được gắn lên thân bởi keo 11 và đặt trong từ trường của hai nam châm vĩnh cửu. Khi cho dòng điện chảy qua bối dây phần ứng, lực điện từ làm cho thân (và do đó, trục và vòng ngoài ổ lăn) quay, các lá chắn quay theo từ hoặc ngược lại để đóng – mở Diafram. 4.4.2.2. Chọn vật liệu Với tính chất làm việc của cơ cấu là tác động nhanh, nhạy khi có tín hiệu điều khiển; kết cấu gọn nhẹ, hình thức đẹp. Do đó vật liệu chủ yếu được chọn là hợp kim nhôm, cụ thể như sau: a. Lá chắn: Sử dụng hợp kim nhôm , mác . b. Trục và gối đỡ trục: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . . c. Thân: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . d. Các vòng hãm lò xo: Sử dụng thép hợp kim e. Bu-lông và đai-ốc: Sử dụng thép hợp kim 38XA. f. Các vòng điều chỉnh khe hở ổ: Sử dụng thép lá mỏng tráng thiếc (sắt tây). g. Đế: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . 4.4.3. Tính toán bu-lông bậc chịu lực ngang [6] Do phải xiết bu-lông để tạo nên lực ép V ép chặt trục, do đó sinh ra lực ma sát giữ trục không trượt khi chịu tác dụng của lực ngoài. Do là trục rỗng, nên bu-lông được luồn bên trong trục và trục được cố định lại với đế. Gọi F là lực tác dụng lên mối ghép (F chính là lực điện từ), lực xiết V phải thỏa mãn điều kiện: hay (4.65) Trong đó: f- hệ số ma sát của trục và của đế, ở đây trục và đế đều là hợp kim nhôm, chọn ; k- hệ số an toàn, , chọn ; i- Hệ số kể đến bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép, chọn . Từ điều kiện bền: (4.66) Thay (4.66) vào (4.65) ta tìm được đường kính chân ren của bu-lông: (4.67) Trong đó: . Do thép hợp kim 38XA nên ; - hệ số an toàn của thép này. Vậy: Ta nhận thấy rằng, do tải trọng rất bé, nên kích thước của kết cấu nói chung cũng rất bé. Tuy nhiên để cơ cấu làm việc ổn định, độ an toàn cao (tránh làm cong hay biến dạng, dẫn đến có thể bị kẹt hoặc làm ảnh hưởng đến các chi tiết khác khi có va đập), đặc biệt là vấn đề công nghệ sẽ khó khăn hơn, dẫn đến giá thành cao. Do đó ta chọn theo tiêu chuẩn. Các kích thước còn lại của bu-lông xem trên bản vẽ chi tiết. 4.4.4. Tính toán và chọn kích thước ổ lăn a. Xác định khả năng tải động Khả năng tải động của ổ được xác định theo công thức: (4.68) Trong đó: Q- tải trọng quy ước, kN; L- tuổi thọ của ổ tính bằng triệu vòng quay; m- bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, với ổ bi m=3. Nếu gọi là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ thì: , giá trị có thể được tra theo bảng trong các tài liệu chuyên môn. Ứng với ổ lăn của ta, tra bảng ta có: giờ, . Vậy: (triệu vòng quay); Ở đây chon ổ bi đỡ một dãy nên: (4.69). Trong đó: - tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục, kN; V- hệ số kể đến vòng nào quay, vòng ngoài quay V=1,2; - hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, = 1 khi ; - hệ số kể đến đặc tính của tải trọng, với tải trọng nhẹ = 1; X- hệ số tải trọng hướng tâm X = 1 (tra theo bảng tra bảng theo [7]); Y- hệ số tải trọng dọc trục Y = 0 (tra theo bảng theo [7]). Ta được: b. Xác định khả năng tải tĩnh. Tải trọng tĩnh được xác định theo công thức: (do ) (4.70) Trong đó: - hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục. Tra bảng [7] có : . Vậy: c. Sau khi tính được theo (4.68) và theo (4.70), dựa vào và đường kính trục để tra kích thước ổ. Ổ được chọn phải đảm bảo điều kiện: (4.71) Trong đó: C- khả năng tải động của ổ tiêu chuẩn; - khả năng tải tĩnh của ổ tiêu chuẩn; D- đường kính ngoài của ổ. d. Chọn kiểu lắp ổ lăn. Do trục động cơ không quay toàn vòng, có va đập nhẹ ở các biên của góc quay, nên vòng ngoài của ổ lăn chịu tải cục bộ và có dao động nhẹ. Vì vậy để đảm bảo cho ổ mòn đồng đều, nghĩa là miền chịu lực của ổ đồng đều trên toàn vòng, chúng ta chọn kiểu lắp có độ hở đối với vòng ngoài của ổ (khi đó có sự quay tương đối giữa vòng ngoài của ổ và trục động cơ). Dung sai cụ thể có trên bản vẽ lắp chi tiết. KẾT LUẬN Mô hình Diafram điều khiển tự động trực tiếp bằng ánh sáng đã được chế tạo hoàn chỉnh với chi phí rất rẻ, các linh kiện điện tử hiện có sẵn trên thị trường, quá trình gia công cơ dễ dàng do kết cấu bộ phận đơn giản. Truyền động đóng mở cửa điều sáng được thực hiện trực tiếp từ motor mà motor này, có sự truyền động rất giống với điện kế từ điện (VOM). Nó là motor sử dụng từ trường của nam châm vĩnh cửu, chỉ dùng một cuộn dây và dòng điện điều khiển đưa trực tiếp vào cuộn dây này. Do vậy, quán tính của động cơ rất bé (do không quay toàn vòng, rotor rỗng), tác động nhanh khi có tín hiệu điều khiển (do cuộn dây kích thích cũng là cuộn dây phần ứng, không dùng chổi than), tổn hao công suất nhỏ (do không có tổn hao sắt, tổn hao đồng bé). Các lá chắn gắn trực tiếp lên trục động cơ và đôi một đối nhau gắn lệch nhau nên không sợ bị kẹt trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, do dùng bốn động cơ nên cần phải chọn các nam châm giống nhau cả về lực khử từ dư, cảm ứng từ cũng như kích thước của chúng. Đồng thời, các cuộn dây ở các động cơ cũng phải giống nhau cả về chiều dài, tiết diện dây, cũng như cách quấn. Hướng phát triển của đề tài là lắp thêm bộ hiển thị khẩu quang. Điều này có thể được thực hiện nhờ một sensor đo góc gắn vào trục quay gồm một đĩa chia độ, một cảm biến chuyển đổi quang điện gồm một LED hồng ngoại và hai photodiode chẳng hạn. Sử dụng các bộ tạo xung, bộ đếm, thiết bị hiện số… là sẽ có bộ hiển thị khẩu quang. Mô hình này có thể phục vụ việc học tập và thực hành của sinh viên. Tác giả chân thành xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Chu Tiến Rảo; các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học; cùng các thầy giáo, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội bởi những kiến thức mà các thầy giáo, cô giáo đã truyền đạt. Cảm ơn các tác giả của những tài liệu mà tôi đã tham khảo khi thực hiện thiết kế đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 05-2006. Sinh viên Dương Hồng Cang PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chu Tiến Rảo. Bài giảng Kỹ thuật ánh sáng và quang điện tử ứng dụng. [2]. PGS Trần Định Tường. Giáo trình Quang kỹ thuật (Đại học Bách khoa Hà Nội). [3]. Ts. Nguyễn Trọng Hùng. Chi tiết cơ cấu chính xác (NXB KHKT - 2002). [4]. PGS Ninh Đức Tốn. Bài giảng dung sai (Đại học Bách khoa Hà Nội – 2000). [5]. Đinh Gia Tường. Nguyên lý máy (NXB KHKT – 1999). [6]. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy (NXB GD -2003). [7]. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (NXB GD – 2003). [8]. GS Nguyễn Văn Khang. Giáo trình cơ học lý thuyết 2. [9]. GS Nguyễn Văn Khang. Dao động kỹ thuật (NXB KHKT - 2001). [10]. Nguyễn Văn Tuệ. Điện học và mạch điện – mạch từ (NXB ĐHQG TPHCM – 2003) [11]. Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà – Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu. Máy điện (NXB KHKT – 2005). [12]. Nghiêm Hùng. Vật liệu học cơ sở (NXB KHKT – 2002). [13]. Đỗ Hoàng Tiến. Audio và Video số (NXB KHKT – 2002). [14]. Nguyễn Thanh Trà – Thái Vĩnh Hiển. Kỹ thuật Audio – Video (NXB GD – 2003). [15]. Nguyễn Văn Thụ. Kỹ thuật điện tử (NXB – 2002). [16]. Phạm Minh Hà. Kỹ thuật mạch điện tử (NXB KHKT – 2004). [17]. Đỗ Kim Bằng. Kỹ thuật số - lý thuyết và ứng dụng (NXB KHKT – 2004). [18]. Đỗ Kim Bằng. 101 Mạch ứng dụng điện tử - kỹ thuật số (NXB LĐXH – 2005). [19]. Nguyễn Quốc Trung. Xử lý tín hiệu và lọc số (NXB KHKT – 2002). [20]. Trần Quang Vinh. Nguyên lý phần cứng và kỹ thuật ghép nối máy tính (NXB GD – 2003). [21]. Dương Minh Trí. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn (NXB KHKT – 2005). [22]. Dương Minh Trí. Linh kiện quang điện tử (NXB KHKT – 2004). [23]. Lê Xuân Thê. Dụng cụ bán dẫn và vi mạch (NXB GD – 2005). [24]. Tống Văn On – Hoàng Đức Hải. Họ vi điều khiển 8051 (NXB LĐXH – 2005).