Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA
DÙNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP
GVHD: ThS. HÀ A THỒI
SVTH: ĐINH HÀ TRUNG
MSSV: 15341033
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017
SKL 0 0 4 5 4 3

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
Tp. HCM, ngày 10 tháng 9 năm 2016
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đinh Hà Trung MSSV: 15341033
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 141
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
Khóa: 2015 Lớp: 153410A
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM
TRONG CÔNG NGHIỆP
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Máy rửa có công suất 60W tần số làm việc 40Khz.
2. Nội dung thực hiện:
- Tổng hợp lý thuyết về máy rửa siêu âm, các thành phần liên quan đến máy
rửa
- Khảo sát máy rửa đang có trên thị trường
- Thiết kế sơ đồ tổng thể máy rửa siêu âm
- Viết chương trình cho VĐK PIC 16F887
- Thiết kế mạch tạo xung
- Thiết kế mạch công suất cao tần
- Lựa chọn thiết bị gia nhiệt và van nước vào / xả

- Lựa chọn thể tích bể siêu âm và vỉ để thiết bị cần tẩy rửa
- Đo đạc các thông số theo yêu cầu
- Lắp ráp thi công hệ thống
- Cân chỉnh hệ thống
- Viết sách luận văn
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2017
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GV: Hà A Thồi
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp
Tp.HCM, ngày…..tháng….năm 2016
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Đinh Hà Trung Lớp: 153410A MSSV: 15341033
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỂ RỬA SIÊU ÂM DÙNG TRONG
CÔNG NGHIỆP
Tuần/ngày Nội dung
Xác
nhận
GVHD
Tuần 1 Tìm hiểu, lựa chọn đề tài, gặp giáo viên hướng dẫn.
Tuần 2
Tìm hiểu tổng quan các phương pháp thực hiện đề tài.
Tuần 3
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo ra sóng siêu âm, khảo sát
các máy rửa thực tế có trên thị trường.
Tuần 4 Tìm hiểu về các loại biến tử siêu âm, thiết bị gia nhiệt, mạch công
suất, mạch tạo xung, mạch nguồn, bể rửa.
Tuần 5,6,7 Tính toán, lựa chọn linh kiện, vật liệu, mô phỏng và thiết kế mạch tạo
xung, mạch công suất, mạch nguồn, mạch điều khiển, thiết kế, thi
công phần khung cho bể rửa.
Tuần 8,9,10,11 Thi công mạch (điều khiển, hiển thị, mạch nguồn, công suất).
Tuần 12 Lắp ráp, vận hành thử hệ thống, đo đạc, kiểm tra các thông số.
Tuần 13 Hoàn thiện hệ thống, viết báo cáo.
Tuần 14 Chạy thử hệ thống, sửa lỗi phần cứng và phần mềm.
Tuần 15 Hoàn thiện báo cáo, nộp báo cáo, gặp giáo viên phản biện.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi Đinh Hà Trung cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi
dựa vào một số tài liệu trước đó và dưới sự hướng dẫn của Giảng Viên Hà A Thồi.
Các kết quả tính toán công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ
bất kì công trình nào khác.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP iv
LỜI CẢM ƠN
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hà A Thồi - Giảng viên bộ môn Điện
Tử Công Nghiệp, người đã hướng dẫn tận tình và rất khoa học từ lúc bắt đầu làm đồ án
cho tới những ngày cuối cùng.
Em chân thành cảm ơn bạn Huỳnh Nguyên Trà, Nguyễn Phú Quý, Nguyễn Văn
Đoài, Dương Văn Tuấn đã có những chia sẻ về những khó khăn và kinh nghiệm khi làm
việc thực tế với mạch điện tử công suất.
Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo
những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 153410A, B đã chia sẻ trao đổi
kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Cảm ơn cha mẹ đã không ngừng hỗ trợ kinh phí thực hiện đồ án.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Đinh Hà Trung

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii
LỜI CAM ĐOAN iii
LỜI CẢM ƠN iv
MỤC LỤC v
LIỆT KÊ HÌNH VẼ viii
LIỆT KÊ BẢNG x
TÓM TẮT xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1
1.1. Đặt vấn đề..........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu.............................................................................................................1
1.3. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................1
1.4. Giới hạn.............................................................................................................1
1.5. Bố cục................................................................................................................2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1. Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm. .....................................................................4
2.1.1. Bản chất của sóng âm.................................................................................4
2.1.2. Sóng siêu âm đặc điểm...............................................................................4
2.1.3. Các đại lượng đặc trưng của sóng..............................................................5
2.2. Công nghệ làm sạch. .........................................................................................8
2.2.1. Công nghệ làm sạch truyền thống..............................................................8

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vi
2.2.2. Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm. .....................................................8
2.2.3. Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm......................................9
2.2.4. Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm. ......................................9
2.2.5. Ưu điểm công nghệ tẩy rửa bằng sóng siêu âm.......................................12
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm....13
2.3.1. Quan hệ giữa tần số và kích thước của bong bóng. .................................13
2.3.2. Tác dụng của hóa chất..............................................................................15
2.3.3. Tác dụng của nhiệt độ..............................................................................16
2.3.4. Thời gian cần thiết để làm sạch. ..............................................................17
2.3.5. Công suất siêu âm và thể tích bể rửa. ......................................................17
2.4. Biến tử siêu âm trong tẩy rửa, phân loại biến tử theo cấu tạo.........................17
2.4.1. Biến tử áp điện. ........................................................................................18
2.4.2. Biến tử từ giảo..........................................................................................20
2.5. Vi điều khiển PIC 16F887...............................................................................21
2.6. MOSFET. ........................................................................................................23
2.6.1. Cấu tạo của Mosfet ..................................................................................23
2.6.2. Nguyên lý hoạt động................................................................................25
2.7. Biến áp xung....................................................................................................25
2.8. Nghịch lưu.......................................................................................................26
2.9. Khảo sát máy rửa siêu âm và biến tử siêu âm có trên thị trường....................26
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 29
3.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống...........................................................................29
3.2. Thiết kế khối công suất. ..................................................................................30
3.2.1. Tính toán biến áp xung có công suất phù hợp với mạch. ........................30
3.2.2. Mạch nghịch lưu biến áp đôi....................................................................33

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP vii
3.3. Thiết kế khối điều khiển..................................................................................40
3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn..........................................................................41
3.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.............................................................................43
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 45
4.1. Thi công hệ thống............................................................................................45
4.1.1. Thi công bo mạch.....................................................................................45
4.1.2. Lắp ráp và kiểm tra. .................................................................................50
4.2. Thi công mô hình. ...........................................................................................50
4.3. Lập trình hệ thống. ..........................................................................................51
4.4. Hướng dẫn sử dụng. ........................................................................................52
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 53
5.1. Mạch điều khiển..............................................................................................53
5.2. Mạch công suất. ..............................................................................................53
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55
6.1. Kết luận. ..........................................................................................................55
6.2. Hướng phát triển đề tài....................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
PHỤ LỤC 58

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP viii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 2.1: Các dạng cân bằng ..........................................................................................4
Hình 2.2: Biểu diễn dạng sóng........................................................................................6
Hình 2.3: Các vùng giãn và nén......................................................................................6
Hình 2.4: Quá trình tẩy rửa 1 ........................................................................................10
Hình 2.9: Quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng..............................................14
Hình 2.10: Hiệu ứng áp điện thuận ...............................................................................18
Hình 2.11: Hiệu ứng áp điện nghịch .............................................................................19
Hình 2.12: Cấu tạo biến tử ............................................................................................20
Hình 2.13: Hiệu ứng từ giảo nghịch..............................................................................21
Hình 2.14: Vi điều khiển PIC16F887 ...........................................................................23
Hình 2.15: Cấu tạo Mosfet............................................................................................24
Hình 2.16: Ký hiệu Mosfet............................................................................................24
Hình 2.17: Biến áp xung ...............................................................................................25
Hình 2.18: Biểu diễn điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch nghịch lưu ........................26
Hình 2.19: Máy rửa siêu âm gia nhiệt Derui DR-MH100 10 lít...................................27
Hình 2.20: Biến tử siêu âm trong tẩy rửa......................................................................28
Hình 3.1: Biến áp xung tính toán được.........................................................................31
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu.................................................................33

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ix
Hình 3.3: Điện áp chuẩn ngõ ra mạch nghịch lưu ........................................................33
Hình 3.4: Lựa chọn mosfet............................................................................................34
Hình 3.5: Mạch kích mosfet..........................................................................................35
Hình 3.6: Biểu đồ thời gian đóng cắt mosfet từ datasheet............................................36
Hình 3.7: Hàm tạo dead-time........................................................................................37
Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng Proteus ...............................................................................37
Hình 3.9: Dạng sóng ngõ ra PIC và ngõ vào cực G của mosfet. ..................................38
Hình 3.10: Điện áp ngõ ra kích cho biến tử ..................................................................39
Hình 3.11: Mạch điều khiển..........................................................................................40
Hình 3.12: Mạch nguồn 155V cấp cho sơ cấp..............................................................41
Hình 3.13: Mạch nguồn 12V cấp cho mosfet ...............................................................42
Hình 3.14: Mạch nguồn 5V cấp cho mạch điều khiển..................................................42
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.........................................................................43
Hình 4.1: Sơ đồ layout linh kiện ...................................................................................45
Hình 4.2: Mạch điều khiển sau khi thi công .................................................................47
Hình 4.3: Quấn biến áp xung ........................................................................................48
Hình 4.4: Mặt sau mạch công suất sau khi thi công .....................................................48
Hình 4.5: Mặt trước mạch công suất sau khi thi công ..................................................49
Hình 4.6: Mạch nguồn...................................................................................................49
Hình 4.7: Lắp ráp bể rửa siêu âm..................................................................................49
Hình 4.8: Mạch công suất và mạch nguồn sau khi đã lắp ráp xong .............................50
Hình 4.9: Mô hình máy rửa sau khi thi công ................................................................51
Hình 4.10: Chương trình điều khiển hệ thống bật tắt ...................................................51
Hình 5.1: Kết quả tẩy rửa..............................................................................................53

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP x
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Bảng 2.1: Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng...........................................................15
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật máy rửa siêu âm..............................................................27
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật biến tử siêu âm.........................................................28
Bảng 3.1: Bảng thông số kĩ thuật của IRF840 ..............................................................34
Bảng 3.2: Bảng thông số PC847 ở nhiệt độ 25℃ .........................................................35
Bảng 4.1: Thông số và số lượng các linh kiện cần mua ...............................................45

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP xi
TÓM TẮT
Ngày nay nền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại, các dây truyền sản xuất
yêu cầu có những sản phẩm đầu vào và đầu ra sạch hoặc là cực kì sạch. Do đó công
nghệ tẩy rửa phải đáp ứng kịp với các yêu cầu khắt khe của việc tẩy rửa như quy trình
tẩy rửa phải nhanh, rửa các thiết bị có cấu tạo phức tạp, ngóc ngách bên trong thiết bị, ít
ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Từ vấn đề đặt ra, đề tài thiết kế và thi công máy rửa siêu âm trong công nghiệp
được lựa chọn. Đề tài là mô hình máy rửa sử dụng vi điều khiển PIC 16F887 tạo xung
kích tới mạch công suất tạo ra điện áp và tần số cao cấp cho biến tử. Biến tử sẽ tạo ra
dao động cơ học với tần số 40khz.
.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay nền sản xuất công nghiệp đang có những bước tiến vượt bậc, đi đôi với
đó cần có các phương tiện kĩ thuật để bảo trì các hệ thống. Trong công đoạn bảo trì thì
một trong những phần quan trọng nhất là tẩy rửa các thiết bị, máy móc bị rỉ sét hoặc tạp
chất bám vào…
Các công nghệ làm sạch truyền thống (tẩy rửa bằng thủ công) đã không còn đáp
ứng được những yêu cầu mới đề ra, như là tẩy rửa các thiết bị có cấu tạo phức tạp, nhiều
ngóc ngách nhỏ, có thể làm chày xước thiết bị máy móc do tác động cơ học không mong
muốn. Vì thế máy rửa siêu âm ra đời để khắc phục các nhược điểm trên.
Đề tài khóa trước đã nghiên cứu và thực hiện máy rửa hoa quả dùng sóng siêu âm,
nhưng kết quả chưa như mong đợi nên nhóm em quyết định thực hiện đồ án về máy rửa
siêu âm nhưng với hướng đối tượng là các thiết bị, máy móc trong công nghiệp.
1.2. Mục tiêu
Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 điều khiển hệ thống mạch công suất, tính toán
công suất phù hợp cho đối tượng cần tẩy rửa.
1.3. Nội dung nghiên cứu
 Khảo sát máy rửa siêu âm đang có trên thị trường.
 Tổng hợp lý thuyết về máy rửa siêu âm, các thành phần liên quan đến máy rửa.
 Lựa chọn phương án thiết kế mạch công suất, mạch tạo xung phù hợp với khả
năng và kiến thức lý thuyết đã được học.
 Lựa chọn tần số phù hợp với nhu cầu thiết kế, tác động của tần số đến khả năng
tẩy rửa.
1.4. Giới hạn
 Dung tích máy rửa 4 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số 40Khz,
công suất 60 Watt.
 Điều khiển các khối dùng vi điều khiển PIC 16F887.
 Hệ thống điều khiển cho phép người dùng chọn khởi động hoặc dừng lại hệ
thống.

1.5. Bố cục
 Chương 1: Tổng Quan
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
 Chương 4: Thi công hệ thống.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Nội dung các chương như sau:
 Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, các nhiệm vụ, các giới hạn
và hướng đi của đề tài phải thực hiện.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, biến tử siêu âm, cấu tạo
biến tử siêu âm trong thực tế, các mạch dao động tạo xung, các linh kiện điện tử dùng
trong mạch công suất, các loại máy rửa có trên thị trường, giới thiệu về vi điều khiển
PIC16F887 và biến áp xung.
 Chương 3: Tính toán và thiết kế.
Nội dung chương này Đề cập đến các yêu cầu của kỹ thuật của máy rửa bằng sóng
siêu âm và các tính toán, thiết kế và lựa chọn mạch công suất, mạch tạo xung, thể tích bể
rửa… tính toán linh kiện thiết kế. Mô phỏng mạch công suất trên các phần mềm có hỗ
trợ trước khi đưa vào thi công.
 Chương 4: Thi công hệ thống.
Chương này gồm các bước thi công hệ thống, chuẩn thiết kế lưu đồ giải thuật cho
hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống.
 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Chương này trình bày kết quả thực hiện, các thông số đo đạc được và chỉnh sửa,
các nhận xét về ưu điểm, nhược điểm và đánh giá so với mục tiêu của đề tài.
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

Chương này trình bày kết luận nghiên cứu đề tài và đề ra các giải pháp phát triển
cho đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm.
Sóng siêu âm cũng là một sóng cơ và có các tính chất căn bản thông qua các thông
số như tần số, bước sóng…
2.1.1. Bản chất của sóng âm.
Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi
trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi
phần tử có một vị trí cân bằng bền [1].
Hình 2.1: Các dạng cân bằng
Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ
rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử
bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng
bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là
phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra
đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại,
lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách
khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng
dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng.
2.1.2. Sóng siêu âm đặc điểm.

Sóng âm là dao động của các hạt của chất rắn, chất lỏng và chất khí, đó là các
chất đàn hồi. Nói một cách khác sóng âm thanh là sóng đàn hồi lan truyền trong môi
trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh.
Tùy theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau:
- Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz
- Vùng âm tần có tần số từ 20Hz đến 20kHz
- Vùng siêu âm có tần số từ 20KHz đến 100MHz
- Vùng cực siêu âm có tần số > 100MHz
Mặc dù có cùng bản chất là sóng đàn hồi nhưng do có tần số khác nhau nên có
các ứng dụng khác nhau.
Đặc điểm :
 Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên
độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1Mhz lớn gấp 106
lần năng lượng sóng
tại tần số 1Khz).
 Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có
tính định hướng cao, năng lượng sóng truyền đi theo một phương nhất định. Lợi
dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng
lớn trên một diện tích hẹp.
 Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm
thực sóng xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp và dân dụng.
 Hiệu ứng Doppler.
2.1.3. Các đại lượng đặc trưng của sóng.
Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và
dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất
còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

Hình 2.2: Biểu diễn dạng sóng
Hình 2.3: Các vùng giãn và nén
Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:
• Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần
dãn.
• Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây.
• Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một
đơn vị thời gian.
• Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng
thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng
cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.

a. Tần số.
Tần số của một sóng cơ học cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi
trường mà trong đó sóng truyền. Tần số biểu thị số lượng chu kỳ trong một giây. Ký
hiệu của tần số là f, đơn vị là Hertz (Hz).
b. Bước sóng.
Bước sóng  là khoảng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một
chu kỳ T. Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ có cùng một trạng thái dao
động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường.
c. Vận tốc.
Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển
động của sóng được gọi là vận tốc v của sóng.
d. Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng.
Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm
dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng. Sự suy giảm năng lượng
phụ thuộc vào các yếu tố:
- Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường.
- Tần số của sóng.
Tổng quát sự hấp thụ sóng được tính theo công thức:
Trong đó:
𝛼: hệ số hấp thụ
ρo: tỉ trọng trung bình của môi trường
k: tỉ số nhiệt riêng
K: hệ số dẫn nhiệt của môi trường
Cp: nhiệt riêng tại áp suất cố định.
Lúc này biên độ dao động tính theo biểu thức:
𝐴𝑥 = 𝐴𝑜𝑒−𝑥

Như vậy khi biết biên độ dao động tại vị trí x người ta có thể biết được hệ số hấp
thụ sóng của môi trường.
𝛼 =
1
𝑥
𝑙𝑛
𝐴𝑜
𝐴𝑥
2.2. Công nghệ làm sạch.
2.2.1. Công nghệ làm sạch truyền thống.
Làm sạch là vấn đề mà tất cả chúng ta thường xuyên phải đối mặt hàng ngày. Nói
một cách bao quát hơn, đó là sự tẩy rửa những chất liệu không cần thiết, rắc rối ra khỏi
từ những vị trí của những thiết bị bộ phận cần làm sạch [2].
Sự làm sạch có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Một trong những phương
pháp truyền thống thông thường thủ công là ngâm thiết bị trong dung dịch. Phương pháp
này là sự kết hợp của tác động hóa học và tác động cơ học. Phương pháp truyền thống
chủ yếu là dùng bàn chải, chổi để làm sạch với những bộ phận có cấu trúc đơn giản,
được dùng cho bề mặt phẳng, nhẵn mà không phải là những vùng ngóc ngách hay chỗ
khó cọ chải trực tiếp.
Ưu điểm :
• Quy trình rửa nhanh, đơn giản, không đòi hỏi công nghệ cao.
• Rẻ tiền
Nhược điểm:
• Không thể rửa được những thiết bị có cấu tạo phức tạp, có khe hở
hẹp, ngóc ngách nhỏ bên trong thiết bị.
• Gây xước bề mặt do dùng bàn chải hoặc chổi.
• Biến dạng bề mặt, cấu trúc gây gẫy vỡ các chi tiết nhỏ, mỏng của
thiết bị.
2.2.2. Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm.
[2] Ngày nay nền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại các dây chuyền sản
xuất ra đời bảo đảm sản xuất hàng triệu sản phẩm cùng loại trong một năm. Thực tế này
đòi hỏi chất lượng, độ đồng đều kích thước, độ lặp lại rất cao để bảo đảm lắp lẫn một
cách dễ dàng, tốn ít thời gian công sức và hạ giá thành sản phẩm. Để đạt được điều đó
các dây chuyền công nghệ thường trang bị nhiều thiết bị rửa siêu âm trong các công
đoạn khác nhau. Bảo đảm làm sạch “tuyệt đối” bề mặt của các sản phẩm trước khi bước

sang công đoạn gia công khác trên sản phẩm đó. Công nghệ rửa siêu âm đặc biệt rất cần
trong công nghiệp chế tạo các bản mạch điện tử có mật độ linh kiện cao, trong các thiết
bị chế tạo các chi tiết cơ khí bằng kim loại, có hình dáng ngóc ngách, nhiều lỗ
nhưng, phải có độ sạch, độ cứng, độ chính xác cao. Công nghệ rửa siêu âm giúp chúng ta
xử lý các bụi bẩn trên bề mặt chi tiết trên trước khi đưa vào công đoạn phủ mặt, làm
bóng bề mặt.
2.2.3. Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm.
Sóng siêu âm là sóng có tần số lớn hơn 18kHz, ở tần số này người không thể
nghe thấy được[2].
Trong máy rửa siêu âm tần số sóng thường nằm trong dải từ 20kHz - 200kHz.
Sóng siêu âm dùng trong các máy rửa siêu âm áp dụng cho các dây chuyền sản suất và
làm sạch các dụng cụ y tế có tần số lớn từ 10kHz - 50kHz. Các máy rửa siêu âm dùng
tần số cao hơn 50kHz được ứng dụng để rửa các dụng cụ quang học, màng lọc sinh học,
công nghiệp, máy làm sạch răng ở các bệnh viện.
Sóng siêu âm ở các máy rửa siêu âm là sóng cơ và nó mang đầy đủ các tính chất
vật lý như phương thức truyền, tính phản xạ, giao thoa sóng,… trong các môi trường
truyền khác nhau.
Khi một sóng cơ học được tạo ra trong không khí hay trong chất lỏng, dưới tác
dụng của áp suất một lượng vật chất được dồn nén tạo thành các con sóng, sóng này
được dịch chuyển về phía có áp suất thấp hơn và được lan truyền theo các hướng khác
nhau nhưng mạnh hơn cả vẫn là hướng thẳng trực tiếp của lực đẩy. Chùm sóng này chứa
vô số chùm sóng có tần số cao hơn tạo nên vì vậy xuất hiện trong búp sóng vô vàn các
búp sóng nhỏ thường được gọi là bong bóng. Kích thước những bong bóng này phát
triển khá đa dạng, thông thường phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm. Sóng siêu âm
càng cao kích thước sóng bong bóng càng nhỏ.
Những bong bóng này di chuyển kế tiếp nhau trong môi trường chất lỏng cho đến
khi đập vào bề mặt vật cản trên đường truyền sóng. Dưới tác dụng lực nén của sóng các
bong bóng vỡ tung tạo ra các vụ nổ, bắn các hạt chất lỏng trực tiếp vào bề mặt vật.
Những vụ bắn phá này chia cắt các màn chất bẩn, bụi cặn phủ trên bề mặt và kéo chúng
ra khỏi vật khi có áp suất âm xuất hiện trong lòng chất lỏng gần sát bề mặt vật.
2.2.4. Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm.

Khi cấp điện cho cảm biến siêu âm, cảm biến này tạo ra những dao động sóng cơ
trên bề mặt của nó với tần suất lớn hơn 20.000 dao động/giây. Sóng cơ này được truyền
trực tiếp vào thép không rỉ của bể rửa siêu âm và tạo ra những xung kích có tần số cao
trong lòng chất lỏng của bể rửa siêu âm. Dưới tác động của những xung kích cơ học tần
số cao vô số bong bóng kích thước nhỏ được tạo ra trong thời gian ngắn và được truyền
theo mọi hướng trong lòng chất lỏng và sự dịch chuyển này tuân thủ hoàn toàn các định
luật của sóng cơ trong chất lỏng. Những chùm bong bóng dịch chuyển lên phía trước và
đập vào bề mặt của vật cần rửa tạo ra một sự bắn phá cơ học lên bụi bẩn bám trên bề
mặt. Dưới tác động lực bắn phá này thì những bụi bẩn bị tách ra khỏi bề mặt và dễ dàng
tan vào dung môi tẩy rửa nhờ tác dụng của hóa chất. Như vậy bọt càng nhỏ khả năng
chui sâu càng lớn do đó có tác dụng tẩy rửa bề mặt của các vật có các lỗ hoặc có cấu tạo
ngoằn nghèo phức tạp, mà công nghệ rửa thông thường không thể nào đạt được.
Các hình dưới đây mô tả quá trình tẩy rửa bề mặt của một vật :
Hình 2.4: Quá trình tẩy rửa 1
Để cho dung dịch tẩy rửa hòa tan được các hạt bụi bẩn điều cần thiết là dung dịch
cần phải được tiếp xúc trực tiếp với hạt bụi. Trong trường hợp này quá trình tẩy rửa đóng
vai trò tạo sự tiếp xúc giữa hóa chất hoặc bụi bẩn.

Khi hóa chất hòa tan bụi bẩn thì một lớp hóa chất gần sát bề mặt của vật dần dần
bị bão hòa do vậy tác dụng hòa tan của nó ngày một dày như vậy quá trình tảy rửa bị
chậm lại hoặc mất hẳn. Để quá trình làm sạch nhanh hơn cần bổ xung thường xuyên hóa
chất tẩy rửa mới (xem hình dưới).
Với việc tạo bọt sóng và bắn phá bề mặt bằng bọt sóng, sóng siêu âm đã làm tăng
hiệu suất tẩy rửa bằng cách hạn chế sự hình thành lớp hóa chất bão hòa tạo điều kiện
cho lớp hóa chất tích cực trực tiếp tiếp xúc với bề mặt vật cần rửa.
Một vài bụi bẩn không hòa tan mà chỉ bám một cách lỏng lẻo trên bề mặt của vật
nhờ lực liên kết ion hoặc lực Cohesive. Những bụi bẩn này dễ dàng bị loại bỏ bằng cách
cưỡng bức một lực lớn hơn lực bám dính của nó với bề mặt là bụi bẩn đã được tách ra
khỏi bề mặt một cách dễ dàng. Xem hình dưới :

Để quá trình tẩy rửa siêu âm đạt hiệu quả cao đòi hỏi dung dịch tẩy rửa phải dính
ướt được các hạt bụi bẩn cần làm sạch.
Trong thực tế có rất nhiều dạng bụi bẩn khác nhau có thể tan hoặc không tan
trong dung dịch tẩy rửa. Để công nghệ rửa siêu âm có hiệu quả cần phải chọn chất tẩy
rửa phù hợp cũng như cung cấp năng lượng siêu âm cần thiết và yếu tố nhiệt độ cũng
không kém phần quan trọng thúc đẩy quá trình làm sạch bề mặt.
2.2.5. Ưu điểm công nghệ tẩy rửa bằng sóng siêu âm.
Khác với các kiểu tẩy rửa khác sóng siêu âm thông qua các bong bóng có thể tiếp
cận với các điểm khác nhau về độ sâu, độ ngoắt nghéo, và rửa sạch bề mặt của vật có

hình dạng bất kỳ rất có hiệu quả.
Ưu điểm :
 Có một số những ưu điểm lợi ích thực sự từ ứng dụng của kỹ thuật
sóng siêu âm đến việc làm sạch chính xác.
 Nâng cao tốc độ làm sạch. Kỹ thuật làm sạch bằng sóng siêu âm nhanh
hơn bất kỳ một phương thức làm sạch thông thường nào khác. Toàn bộ
quá trình có thể được làm sạch mà không cần tách rời, tiết kiệm nhân lực
làm cho kỹ thuật siêu âm được lựa chọn mang lại lợi nhuận nhất.
 Tính làm sạch ổn định chắc chắn là không gì sánh nổi. Tác dụng làm sạch
đồng đều của sóng siêu âm đối với tất cả các vật có kích lớn hay nhỏ, đơn
giản hay phức tạp, đơn lẻ hay rửa nhiều bộ phận trong một lượt. Công
nghệ rửa siêu âm giúp ta làm sạch kỹ lưỡng hoàn hảo các chất bẩn trên
toàn bộ bề mặt vật và không phụ thuộc vào người vận hành.
 An toàn và đúng quy định về môi trường từ việc giảm bớt nồng độ hóa
học nguy hiểm hay có thể thay thế được của sự ăn mòn chất làm sạch trung
gian.
 Làm giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp của người vận hành với chất làm sạch
nguy hiểm.
 Tiết kiệm năng lượng, nhân lực và giá thành thấp.
 Máy rửa siêu âm mang lại giá trị năng suất thực sự cho ứng dụng làm sạch
chính xác.
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm.
2.3.1. Quan hệ giữa tần số và kích thước của bong bóng.
Tần số cao tạo ra kích thước bong bóng nhỏ hơn tần số thấp. Những bong bóng
có kích thước nhỏ có thể tạo ra trong một giãn cách nhỏ hơn một bong bóng có kích
thước lớn. Hình bên dưới thể hiện kích cỡ của bọt bong bóng so vơi tần số.

Hình 2.9: Quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng

Cường độ sóng kích trong nước được tạo ra các sự kích nổ bong bóng có quan
hệ trực tiếp đến kích thước của bọt bong bóng. Đối với những bọt bong bóng kích thước
lớn thường do sóng kích có cường độ lớn tạo nên. Kích thước của bong bóng tỉ lệ nghịch
với tần số siêu âm do đó những kích thước bong bóng lớn thường được tạo ra bởi tần số
thấp. Những sóng được tạo ra ở tần số thấp thì thời gian giữa hai búp sóng dài cho phép
quá trình hình thành và phát triển các bọt bong bóng có thời gian lớn hơn. Số lượng các
bong bóng tăng theo sự tăng của tần sô. Nếu công suất siêu âm đầu vào không đổi thì
những bọt bong bóng được tạo ra ở tần số thấp có khả năng kích nổ mạnh hơn những
bong bóng tạo ra ở tần số cao.
2.3.2. Tác dụng của hóa chất.
Bảng 2.1: Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng
Dung dịch rửa Thành phần
(gam / lit) (%)
Nhiệt độ
C
Kim loại cần làm
sạch
Ứng dụng
Na3PO4
NaCl
30 g/l
5-25 g/l
50C Thép Rửa các chi tiết
rất bẩn
Thủy tinh lỏng
Na3PO4
20 g/l
30 g/l
50C Thép Rửa các chi tiết
rất bẩn
Thủy tinh lỏng 20 g/l 50C Thép Rửa các chi tiết
bẩn
Na3PO4
Na2 C03
5 g/l
5 g/l
50C Đồng , Nhôm
Kẽm
Rửa các chi tiết
bẩn
HNO3
H2 SO4
H2O
40%
10%
50%
50C Thép rỉ Làm sạch vẩy ,
rỉ
H2 SO4
HNO3
HCl
H2O
4%
9%
13%
74%
50C Hợp kim thép ,
Crôm , Niken,
Modiplen
Rửa các chi tiết
rất bẩn
NaOH
NaF
100 g/l
50 g/l
40-60 C Nhôm Làm bóng bề
mặt của nhôm

Lựa chọn hợp chất hóa học thích hợp đặc biệt quan trọng để mang lại thành công
toàn diện cho quy trình làm sạch bằng kỹ thuật sóng siêu âm. Sự lựa chọn thành phần
hóa học này phải được tương thích với thành phần base kim loại được rửa và có khả
năng tẩy rửa chất bẩn [3]. Nó cũng phải có phải có khả năng tạo sự sủi bong bóng tốt.
Hầu hết những chất tẩy rửa hóa học có thể được sử dụng thuận lợi với kỹ thuật sóng
siêu âm. Chúng có những công thức đặc biệt để sử dụng cho kỹ thuật rửa siêu âm.
2.3.3. Tác dụng của nhiệt độ.
Nhiệt độ được coi là tham số quan trọng nhất trong việc tạo ra cường độ cực đại
của bong bóng [2] . Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi độ nhớt, khả năng hòa tan
của khí trong chất lỏng, mức độ khuếch tán của khí trong chất lỏng và áp suất hơi. Ở
nước tinh khiết thì mức độ tạo bong bóng đạt đến cực đại ở nhiệt độ gần 160℉ (~ 71℃)
Độ nhớt của chất lỏng làm giảm rất nhiều các cường độ tạo bong bóng. Đa số các
loại chất lỏng có độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Để việc tạo bong bóng có hiệu quả cao
chất lỏng cần phải chứa lượng khí hòa tan nhỏ nào đó. Khí hòa tan ở trong chất lỏng sẽ
được giải phóng trong quá trình tạo bong bóng và nó ngăn cản sự vỡ bong bóng dạng
cưỡng bức. Trên thực tế khi nhiệt độ tăng, lượng khí hòa tan trong chất lỏng giảm. Sự
khuếch tán của khí hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng.
Khi nhiệt độ trong chất lỏng tăng quá cao dẫn đến chất lỏng gần tới cái quá trình
bay hơi như vậy quá trình tạo bong bóng bằng hơi rất dễ xảy ra. Những bong bóng chứa
đầy hơi tăng thì cường độ của bong bóng này giảm và một vài nơi trong bể bắt đầu bốc
hơi.
Ảnh hưởng nhiệt độ:
 Hiệu suất siêu âm tốt nhất là khoảng 65% Điểm sôi của chất lỏng trong sử
dụng.
 Nhiệt độ trên 65% của điểm sôi sẽ giảm chà lực của hệ thống.
 Hầu hết các chất tẩy rửa siêu âm Sử dụng nhiệt độ giữa 54 và 82℃.
 Khi sử dụng vật liệu có tính axit, Sử dụng nhiệt độ thấp nhất có thể để giảm
thiệt hại của bề mặt bể rửa siêu âm.
Nhiệt độ phù hợp cho các đối tượng cần tẩy rửa:

 Hầu hết các bộ phận công nghiệp được làm sạch tốt nhất ở nhiệt độ 50-70 ℃,
nhất là khi làm sạch những bộ phận của kính hiển vi.
 Các phần tử điện, điện tử được làm sạch tốt nhất ở 45-55℃.
 Các vật dụng ảnh hưởng bởi khí đốt có thể phải làm sạch ở nhiệt độ cao nhất
lên đến 80℃.
 Đối với các vật dụng có vật liệu làm từ những thứ mềm mỏng, có liên kết hóa
học chỉ cần làm sạch ở nhiệt độ thường.
 Dụng cụ thí nghiệm, dụng cụ y tế có đặc thù riêng nên làm sạch siêu âm ở nhiệt
độ 55-65℃.
2.3.4. Thời gian cần thiết để làm sạch.
Điều này được xác định bởi các điều kiện về nhiệt độ, loại đất, nồng độ của hóa
chất làm sạch, tần số xung kích… Phải mất thời gian cho quá trình tẩy rửa sẽ diễn ra.
Trong một bồn, có thể mất từ năm đến 15 phút ; trong bình xịt áp suất cao của
một chất tẩy rửa chất lượng, có thể mất một vài giây.
2.3.5. Công suất siêu âm và thể tích bể rửa.
Công suất siêu âm (watt/gallon, watt/lít) được mô tả theo những cách khác nhau
từ các nhà sản xuất thiết bị. Công suất siêu âm được tính như năng lượng chuyển cho bộ
chuyển đổi và đơn vị là watt cho mỗi gallon (hoặc lít) dung dịch tẩy rửa. Hầu hết các
chất tẩy rửa cần 50-100 watt cho mỗi gallon (3.78 lít).
Khi công suất siêu âm tăng lên số lượng bong bóng cũng tăng, khả năng làm sạch
tăng cũng tăng lên nhưng chỉ đến một mức giới hạn. Công suất tăng hơn nữa ta không
chỉ lãng phí năng lượng, ta có nguy cơ gây tổn hại các chi tiết được làm sạch.
Một định nghĩa khác: tổng công suất chính là năng lượng cần thiết để vận hành
toàn bộ bể rửa siêu âm bao gồm máy phát siêu âm và bộ gia nhiệt (nếu có). Không nên
nhầm lẫn với công suất siêu âm.
Công suất đỉnh được định nghĩa là công suất siêu âm được tạo ra ở đỉnh của sóng
âm và có thể bằng 2, 4 hoặc 8 lần so với công suất trung bình.
2.4. Biến tử siêu âm trong tẩy rửa, phân loại biến tử theo cấu tạo.
Biến tử siêu âm là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lượng điện có tần số siêu âm
thành dao động cơ học có cùng tần số[1]. Ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả
năng biến đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số tương ứng.

Theo hai chức năng đó, biến tử được phân chia thành biến tử thu sóng và biến tử
phát sóng. Phần bên dưới đây chỉ bàn về phân loại biến tử siêu âm theo cấu tạo.
2.4.1. Biến tử áp điện.
Biến tử áp điện được chế tạo dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện do Curie tìm ra vào
năm 1880. Một số vật liệu nhựa như tinh thể thạch anh, barium titanate có dao động sóng
cơ khi áp nên nó những dòng điện tích xoay chiều. Tuy nhiên những vật liệu này thường
dao động không ổn định và khả năng chịu tải cơ học thấp. Từ những năm 1940 các nhà
khoa học Mỹ đã chế tạo ra cảm biến Piezoelectric có công suất lớn, độ bền cao với cơ
học và môi trường đặc biệt rất ổn định về mặt tần số.
Tuy nhiên hiệu ứng biến dạng trong Piezoelectric thường bé hơn nhiều so biên
độ dao động của biến tử từ giảo. Thông thường biên độ dao động của Piezoelectric
thường nằm trong khoảng 0.1µm ÷ 7µm. Tuy vậy tần số làm việc của Piezoelectric có
thể lên đến 5MHz.
Xét về phương diện công suất thì cảm biến siêu âm từ giảo có công suất cao hơn
nhiều so với cảm biến siêu âm Piezoelectric. Xét về phương diện biến đổi năng lượng
thì cảm biến Piezoelectric có khả năng biến đổi thuật nghịch – Điện năng – Cơ năng –
Điện năng. Kích thước vật lý của cảm biến siêu âm gọn nhỏ thường được dùng để
chế tạo máy rửa siêu âm.
a. Hiệu ứng áp điện thuận.
Một tấm thạch anh có bề dày 𝑙0 được phủ một lớp bạc lên hai bề mặt để tạo thành
các điện cực. Trên hai bản cực người ta nối một điện kế như hình vẽ.
Hình 2.10: Hiệu ứng áp điện thuận
Khi tác động một lực kéo sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 + 𝑙,
người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên trái. Điều này chứng tỏ trên hai bản cực
của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu.

Ngược lại khi tác động một lực nén sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với
𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙, người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên phải. Như vậy trên hai bản
cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều.
Quan hệ giữa điện tích Q và lực F được xác định bởi : 𝑄 = 𝐾 × 𝐹
Trong đó: Q: điện tích (Coulomb)
K: hằng số áp điện bằng 6.9 × 10−8
F: giá trị của lực ké, nén (kg)
Qua trên nhận thấy rằng khi lực tác động lên bề mặt tấm mỏng là các dao động
cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay
chiều có cùng tần số biến đổi với dao động cơ học.
Các loại vật liệu mang tính chất như trên được gọi là vật liệu áp điện.
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử thu sóng siêu âm.
b. Hiệu ứng áp điện nghịch.
Hình 2.11: Hiệu ứng áp điện nghịch
Bây giờ nối hai điện cực của tấm áp điện đến nguồn điện một chiều như hình
2.11, người ta nhận thấy bề dầy của tấm áp điện biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 + 𝑙.
Ngược lại khi đảo chiều nguồn cấp điện, bề dầy của tấm áp điện biến đổi với
𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙.
Quan hệ giữa 𝑙 và điện áp V được xác định bởi 𝐿 = 𝐾 × 𝑉
L : độ biến thiên kích thước hình học của tấm áp điện
K : hằng số áp điện 6.9 × 10−8
V: giá trị của nguồn điện phân cực

Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt lên bề mặt tấm áp điện một tín hiệu điện
xoay chiều có tần số f thì bề dầy của tấm mỏng sẽ biến đổi liên tục với cùng tần số và
như vậy một dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường.
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm
Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi tần số dao động
của nguồn V bằng với tần số dao động riêng của tấm áp điện. Tần số dao động riêng của
tấm áp điện phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và bề dày theo biểu thức :
𝑓𝑜 = 𝑘 ∕ 𝑙
Với k : hệ số dao động riêng (khz.mm)
𝑓𝑜 : tần số dao động riêng của tấm áp điện
L : bề dầy của tấm áp điện (mm)
c. Cấu tạo và hình dáng của biến tử áp điện.
Hình 2.12: Cấu tạo biến tử
2.4.2. Biến tử từ giảo.
Hiệu ứng từ giảo nghịch.

Hình 2.13: Hiệu ứng từ giảo nghịch
Bây giờ nối hai đầu của cuộn dây đến nguồn điện một chiều như hình bên trái.
người ta nhận thấy chiều dài của khung từ biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 + 𝑙.
Ngược lại khi đảo chiều nguồn cấp điện thì chiều dài của khung từ biến đổi với
𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙.
Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt lên cuộn dây một tín hiệu điện xoay chiều
có tần số f thì chiều dài của khung từ sẽ biến đổi liên tục với cùng tần số và như vậy một
dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường.
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm từ giảo.
2.5. Vi điều khiển PIC 16F887.
PIC 16F877A [4] là loại vi điều khiển 8 bit tầm trung của hãng microchip. PIC
16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC với chỉ 35 lệnh cơ bản, tất
cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ, ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh.
Nó có các tính năng mà vi điều khiển hiện đại thường có. Với giá thành thấp, và
hàng loạt các ứng dụng, chất lượng cao và dễ dàng mua, nó là một giải pháp lý tưởng
trong các ứng dụng như: kiểm soát các quá trình khác nhau trong ngành công nghiệp,
điều khiển thiết bị, đo lường các giá trị khác nhau… Một số tính năng chính của nó là
được liệt kê dưới đây.
 Kiến trúc RISC
 Chỉ có 35 tập lệnh
 Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ, ngoại trừ các lệnh rẽ
nhánh.
 Tần số hoạt động 0-20 MHz

 Độ chính xác dao động
 Nhà máy hiệu chuẩn
 Dải tần số lựa chọn bằng phần mềm từ 8MHz đến 31KHz
 Điện áp cung cấp 2.0-5.5V
 Tiêu thụ: 220uA (2.0V, 4MHz), 11uA (2,0 V, 32 KHz) 50nA (stand-by
mode)
 Power-Saving Sleep Mode
 Brown-out Reset (BOR) với tùy chọn kiểm soát phần mềm
 35 đầu vào / đầu ra chân
 Dòng điện ra cao cho led
 phần mềm và lập trình điện trở kéo lên
 Ngắt
 Bộ nhớ ROM 8K trong công nghệ FLASH
 Chip có thể được lập trình lại lên đến 100.000 lần
 In-Circuit Serial Programming tùy chọn
 Chip có thể được lập trình nhúng trong một số đối tượng thiết bị
 256 byte bộ nhớ EEPROM
 Dữ liệu có thể được viết hơn 1.000.000 lần
 368 byte bộ nhớ RAM
 Chuyển đổi A / D
 14-kênh
 độ phân giải 10-bit
 3 Timer / Counter
 Watch-dog timer
 Module so sánh tương tự

 Hai bộ so sánh tương tự
 Điện áp tham chiếu cố định (0.6V)
 Lập trình điện áp tham chiếu trên chip
 Điều khiển lái ngõ ra PWM
 Module USART Enhanced
 Hỗ trợ RS-485, RS-232 và LIN2.0
 Auto-Detect Baud
 Master Synchronous Serial Port (MSSP)
 Hỗ trợ SPI và I2C
Hình 2.14: Vi điều khiển PIC16F887
2.6. MOSFET.
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường oxit kim loại (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với
Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so
với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên
tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng
đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
2.6.1. Cấu tạo của Mosfet

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều
khiển cực nhỏ.
Hình 2.15: Cấu tạo Mosfet
Cấu tạo của Mosfet Kênh N:
G : Gate gọi là cực cổng
S : Source gọi là cực nguồn
D : Drain gọi là cực máng
Trong đó: G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn
lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai
cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn,
còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S
(UGS )
Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu
ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng
nhỏ. Ký hiệu:
Hình 2.16: Ký hiệu Mosfet
Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor.
+ Chân G tương đương với B
+ Chân D tương đương với chân C

+ Chân S tương đương với E
2.6.2. Nguyên lý hoạt động.
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang
điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời
gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng.
Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển
đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường: Đối với Mosfet
Kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V.
Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet là 𝑡𝑜𝑛, 𝑡𝑜𝑓𝑓, 𝑡𝑟, 𝑡𝑓.
Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds.Tuy
nhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss, Coss.
2.7. Biến áp xung.
Biến áp xung là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục KHz như biến
áp trong các bộ nguồn xung, biến áp cao áp. lõi biến áp xung làm bằng ferit, do hoạt
động ở tần số cao nên biến áp xung cho công suất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông
thường có cùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công suất mạnh gấp hàng chục
lần.
Hình 2.17: Biến áp xung
Biến áp xung biến đổi điện áp xung hay cường độ xung. Số vòng dây của biến
áp xung thường ít. Lõi của biến áp xung là ferit hay hợp kim pemeloid trong khi lõi của
biến áp thường là thép silic. Biến áp xung cộng các tín hiệu xung, biến đổi cực tính của

các xung và lọc bỏ thành phần một chiều của dòng điện. Biến áp xung làm tăng biên độ
điện áp hoặc dòng mà vẫn duy trì được dạng xung ban đầu, không bị méo.Độ dài xung
(ở các máy điều khiển tự động) vào khoảng 0.1 μs, ngắn hơn chu kỳ của điện lưới hàng
triệu lần, nghĩa là tần số lớn gấp hàng triệu lần, đến MHz.
Các biến áp trong sạc điện thoại và máy tính bây giờ đều xài biến áp xung. Nó
có thêm 1 bộ băm xung ở tần số cao nữa, nếu xài xoay chiều thì dùng triac băm xoay
chiều còn nếu dùng 1 chiều thì đưa về 1 chiều rồi băm. có thể dùng Vi điều khiển hoặc
mạch xung số. Các máy biến áp bình thường theo lý thuyết thì khi hạ áp xuống 1/2 thì
dòng tăng gấp đôi suy ra công suất VA không đổi, nhưng thực chất do khả năng chịu tải
của máy biến áp thấp( do cấu tạo, lõi, vỏ, khả năng tải nhiệt, và do tiết diện dây đồng...)
nên thành ra công suất sẽ thấp hơn. Riêng biến áp xung thì số vòng dây ít hơn và tiết
diện dây lớn hơn. kết hợp băm xung nên công suất cao nhỏ gọn và nhẹ hơn.
2.8. Nghịch lưu
Nghịch lưu là biến một dòng điện một chiều thành một dòng điện xoay chiều có
giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào thời gian đóng mở các van bán dẫn.
Các linh kiện đóng cắt dùng trong mạch nghịch lưu thường sử dụng Diode, SCR,
DIAC, TRIAC, IGBT,MOSFET…
Hình bên dưới thể hiện điện áp ngõ vào và điện áp ngõ ra mạch nghịch lưu.
Hình 2.18: Biểu diễn điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch nghịch lưu
2.9. Khảo sát máy rửa siêu âm và biến tử siêu âm có trên thị trường.
a. Khảo sát máy rửa siêu âm.
Tính năng:

Thiết kế mạch điện độc lập, bảo vệ an toàn tránh bị nước xâm nhập. Bộ chuyển
đổi (sóng siêu âm) có đường kính rộng cho kết quả làm sạch tốt nhất, hiệu năng cao.
Hình 2.19: Máy rửa siêu âm gia nhiệt Derui DR-MH100 10 lít
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật máy rửa siêu âm
Tần số siêu âm 40 KHz
Chất liệu bể rửa Thép không rỉ SUS304
Dung tích bể rửa 10 Lít
Thiết lập thời gian 1 – 30 phút
Thiết lập nhiệt độ 20 ºC - 80 ºC
Nguồn cấp AC 100 ~ 120V 50/60Hz, AC 220 ~ 240V 50/60 Hz
Công suất sóng siêu âm 240 W
Công suất nhiệt 250 W
Kích thước máy 330 x 270 x 310 mm (L x W x H)
Kích thước bể rửa 300 x 240 x 150 mm (L x W x H)

Nắp Có
Thoát nước Có
Trọng lượng máy 8,2 Kg
b. Khảo sát biến tử siêu âm có trên thị trường.
Biến tử siêu âm cho tẩy rửa ít được bán tại Việt Nam, nếu được bán thì không
nhiều hoặc không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật. Biến tử được bán nhiều tại thị
trường Trung Quốc với nhiều nhà sản xuất và đa dạng các loại biến tử với đủ tần số và
công suất khác nhau.
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật biến tử siêu âm
Công suất 50W
Trở kháng 15 𝛺
Tần số 40kHz
Cách điện 10000 𝑀𝛺
Điện dung tĩnh 3500-3800 pF
Tiết diện 45mm
Hình 2.20: Biến tử siêu âm trong tẩy rửa

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Sau khi tìm hiểu cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, cách tạo sóng siêu âm cũng như
nguyên lý làm sạch bằng sóng siêu âm, mạch công suất, các máy rửa siêu âm hiện nay,
trong chương 3 em sẽ trình bày chi tiết các bước thiết kế bao gồm lựa chọn thiết kế sơ
đồ khối và lựa chọn linh kiện.
3.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.
Dựa vào cơ sở lý thuyết và các máy rửa có trên thị trường có thể thiết kế sơ đồ
khối của hệ thống như hình dưới đây với 4 khối chính.
Hinh 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng từng khối:
 Khối nguồn: có chức năng cung cấp nhiều loại nguồn cho hệ thống, đảm bảo hệ
thống không bị sụt áp do quá dòng, quá tải. Khối này là khối quan trọng và phải
hoạt động ổn định. Khối này đồng thời tạo ra điện áp một chiều từ điện áp xoay
chiều.
 Khối điều khiển, tạo xung: tạo ra tần số phù hợp cho mạch công suất và bật tắt
hệ thống. khối điều khiển hoạt động ổn định chuẩn xác tránh các xung nhiễu
không mong muốn.
 Khối công suất: nhận tín hiệu dao động của khối tạo xung và biến đổi điện áp
một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho biến tử siêu âm.
 Khối chuyển đổi: nhận điện áp xoay chiều với tần số 40khz từ mạch công suất.
biến đổi điện năng thành cơ năng (dao động 40khz với điện áp cao).
Khối Công
Suất
Khối điều khiển, tạo
xung
Khối Chuyển
Đổi
Khối Nguồn

3.2. Thiết kế khối công suất.
Thiết kế khối công suất cho máy rửa là một sự lựa chọn khá khó khăn cho người
làm đồ án vì có nhiều mạch công suất có thể kích cho biến tử như mạch Royer oscillator
được sử dụng ở hầu hết các mạch công suất kích cho biến tử (Trung Quốc), Mạch dao
động nghẹt (Blocking OSC), mạch nghịch lưu…
Thảo luận: Giảng viên đề nghị sử dụng mạch Mạch dao động nghẹt (Blocking OSC).
Sinh viên xin được sử dụng mạch nghịch lưu vì nó có lý thuyết đơn giản hơn hẳn so với
các mạch công suất/dao động khác, với tần số có thể dễ dàng thay đổi bằng phần mềm
và mạch nghịch lưu đã được học trong môn điện tử công suất.
Kết luận Sinh Viên chọn mạch nghịch lưu (biến áp đôi).
Mạch nghịch lưu cần các linh kiện/ yêu cầu sau
 Khóa đóng ngắt với tần số cao
 Biến áp xung có công suất phù hợp với mạch
3.2.1. Tính toán biến áp xung có công suất phù hợp với mạch.
a. Tính toán số vòng dây.
Tính toán biến áp xung cũng có các công thức tương tự như biến áp thường chỉ
khác nhau ở chỗ biến áp xung dùng lõi ferit còn biến áp thường dùng lõi sắt. Biến áp
xung có tần số và công suất cao hơn biến áp lõi sắt.
Biến áp xung có nhiều trong các nguồn xung của adaptor laptop, sạc, trong các
nguồn công suất của máy tính để bàn. Có thể dùng tạm biến áp xung ETD39 của bộ
nguồn máy tính để bàn cũ để quấn biến áp. Công suất của biến tử siêu âm khoảng 60W
(công suất thứ cấp) từ đó ta tính toán được công suất tối đa của biến áp vào khoảng 80W
(công suất sơ cấp) (công suất hiệu dụng 70-90%). Trong khi đó công suất của lõi ferit
ETD39 là 382W nên dễ dàng sử dụng mà không sợ thiếu hụt công suất.
Tính toán số vòng dây của biến áp xung dựa vào ví dụ của Bilal Malik [5].
𝑁𝑝𝑟𝑖 =
Vin×108
4×f×Bmax×A𝑒
= số vòng (3.0)
Trong đó:

 Vin là điện áp ngõ vào DC lấy từ nguồn điện 110VAC qua chỉnh lưu cầu được
điện áp 110√2 ≈ 155 𝑉𝐷𝐶.
 f tần số của mạch 40Khz.
 Bmax có giá trị từ 1300 đến 2000 chọn giá trị Bmax= 1500.
 Ae là tiết diện mặt cắt của biến áp xung, được tra trong datasheet của TDK
𝑁𝑝𝑟𝑖 =
Vin×108
4×f×Bmax×A𝑒
=
155×108
4×40000×1500×1.25
≈ 51,6 (𝑣ò𝑛𝑔)
Vì số vòng không thể lấy lẻ nên chọn số vòng là 50. Với số vòng là 50 ta phải
tính toán lại thông số Bmax để thông số này nằm trong khoảng 1300 đến 2000.
Bmax =
𝑉𝑖𝑛×108
4×𝑓×𝑁𝑝𝑟𝑖×𝐴𝑒
=
155×108
4×40000×50×1.25
= 1500
Bmax vẫn nằm trong khoảng giá trị chấp nhận được nên chọn số vòng sơ cấp là
50 vòng. Đối với biến áp đôi ta phải quấn 50 vòng + 50 vòng cho cuộn sơ cấp.
Điến áp đỉnh đỉnh cấp cho biến tử siêu âm là từ 700Vpp-1000Vpp ta chọn điện
áp đỉnh đỉnh (Vpp) khoảng 800V, từ đó ta tính được điện áp tại cuộn thứ cấp là 400V.
Từ số vòng sơ cấp (Npri), điện áp ngõ vào (Vin) và điện áp ngõ ra (Vout) ta tính
toán được số vòng cuộn thứ cấp (Nsec).
𝑁𝑠𝑒𝑐 =
𝑁𝑝𝑟𝑖
𝑉𝑖𝑛
× 𝑉𝑜𝑢𝑡=
50×400
155
= 129,03 (vòng) (3.1)
Vì số vòng không thể là số lẻ nên chọn số vòng cuộn thứ cấp (Nsec) 130 vòng.
Kết quả tính toán số vòng sơ cấp 50 vòng, thứ cấp 130 vòng.
Hình 3.1: Biến áp xung tính toán được

b. Tính toán tiết diện dây dẫn.
Để có thể chọn được dây quấn biến áp ta cần tính được dòng điện qua tải, cùng
với mật độ dòng điện của dây dẫn. ta có thể dùng công thức sau để tính toán giá trị gần
đúng:
𝑆 =
𝐼
𝐽
(3.2)
Trong đó:
S là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm2
I: là dòng điện chạy qua mặt cắt vuông, tính bằng ampere (A).
J: Mật độ dòng diện cho phép (A/mm2
).
Mật độ dòng điện cho phép của dây đồng J ~ 6A/ mm2
.
Ta có công suất tải phía Thứ cấp P =60W, U= 800V.
⇒ 𝐼 =
𝑃
𝑈
=
60
800
= 0.075 (𝐴)
Theo công thức (3.2)
𝑆 =
𝐼
𝐽
=
0.075
1.3
= 0.057 (mm2
).
Mặt khác:
S = 𝜋
𝐷2
4
(3.3)
⇒ D = √
𝑆×4
𝜋
= √
0.057×4
𝜋
= 0.27 mm. (chọn D = 0.4 mm)
Ta có công suất tải phía sơ cấp biến áp P =80W, U= 155 V.
⇒ I =
𝑃
𝑈
=
80
155
= 0.516 (A).
Theo công thức (3.2)
𝑆 =
𝐼
𝐽
=
0.516
1.3
= 0.397 (mm2
)
Mặt khác theo (3.3)
𝑆 = 𝜋
𝐷2
4
=> D = √
𝑆×4
𝜋
= √
0.397×4
𝜋
= 0.71 mm. (chon D = 0.8 mm)
Kết quả tính toán chọn tiết diện dây dẫn sơ cấp 0.8mm, thứ cấp 0.4 mm.

3.2.2. Mạch nghịch lưu biến áp đôi.
Mạch nghịch lưu có nguyên lý như hình bên dưới :
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu
Giai đoạn 1: công tắc 1 (CT1) đóng (CT2 hở) làm cho điện áp chạy từ điểm A
lên điểm B tạo ra điện áp âm ở cuộn sơ cấp.
Giai đoạn 2 công tắc 2 (CT2) đóng (CT1 hở) làm cho điện áp chạy từ điểm A
xuống điểm C tạo ra điện áp dương ở cuộn sơ cấp.
Mạch nghịch lưu phải có thời gian trống (dead-time) giữa khoảng thời gian CT1
đóng và CT2 hở và ngược lại. 2 công tắc này không thể hoạt động cùng một lúc.
Hình 3.3: Điện áp chuẩn ngõ ra mạch nghịch lưu

Có nhiều van công suất có thể làm được công việc đóng cắt nhanh như Mosfet
và IGBT. Nhưng Mosfet là linh kiện tốt nhất trong trường hợp điện áp DC ~ 200V. Hình
bên dưới cho ta biết rõ hơn tại sao lại chọn MOSFET trong trường hợp này [11].
Hình 3.4: Lựa chọn mosfet
a. Mạch kích Mosfet, tính toán sơ bộ mạch kích mosfet.
Vì công suất của mạch thấp và dòng qua mosfet chỉ khoảng 1A cùng với điện áp
DC cấp cho mosfet chỉ là 155V nên ta dễ dàng tìm và chọn loại Mosfet có trên thị trường.
Mosfet IRF840 là Mosfet thông dụng.
Bảng 3.1: Bảng thông số kĩ thuật của IRF840
Ta có thể kích mosfet trực tiếp từ vi điều khiển PIC 16F887 nhưng như thế mạch
sẽ không cách ly và sẽ dễ dẫn đến phá hỏng toàn bộ mạch điện khi thi công. Do đó phải

dùng Opto cách ly. Opto PC847 thông dụng được lựa chọn để làm linh kiện cách ly giữa
mạch điều khiển và mạch công suất.
Bảng 3.2: Bảng thông số PC847 ở nhiệt độ 25℃
Hình 3.5: Mạch kích mosfet
Theo thông số kỹ thuật của Mosfet và Opto ta chọn điện áp cấp cho mosfet là
12V (opto có thể chịu áp 𝑉
𝑐𝑒= 20V).
Điện áp chân 𝑉𝐴𝐾 = 1.4V, điện áp từ PIC (𝑉𝑝𝑖𝑐 = 5𝑉) ta chọn dòng qua AK
𝐼𝐴𝐾 = 16𝑚𝐴. Từ các thông số trên ta tính được điện trở R9.
Ta có :
𝑉𝑝𝑖𝑐 − 𝑉𝐴𝐾 = 𝑉𝑅9 = 𝐼𝑅9 × 𝑅9 (3.2)

⇒ 𝑅9 =
𝑉𝑝𝑖𝑐−𝑉𝐴𝐾
𝐼𝑅9
⇒ 𝑅9 =
𝑉𝑝𝑖𝑐 − 𝑉𝐴𝐾
𝐼𝐴𝐾
=
5 − 1.4
16 × 10−3
= 225 (𝛺)
Chọn R9 = 220 (𝛺)
Hình 3.6: Biểu đồ thời gian đóng cắt mosfet từ datasheet
Theo như biểu đồ Hình 3.6 ta chọn điện trở RG thấp nhất thì thời gian đóng cắt
sẽ tối ưu nhất (nhanh nhất). Chọn điện trở RG= 10𝛺 (Hình 3.5)
Cần mắc một điện trở RP tại cực G của mosfet để xả điện áp của tụ điện khi
Mosfet mất điện áp kích từ opto, giá trị trở càng nhỏ thì thời gian xả càng nhanh và
ngược lại. Theo lý thuyết thời gian xả của tụ bằng :
𝑇𝑥ả = 𝑅𝑃 × 𝐶𝑖𝑠𝑠 (𝐶𝑖𝑠𝑠 = Đ𝑖ệ𝑛 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑛𝑔õ 𝑣à𝑜) (3.3)
Chọn RP = 330 𝛺
⇒ 𝑇𝑥ả = 330 × 1300 × 10−12
= 0.429(𝑢𝑠)
Vì thời gian đóng cắt của Mosfet là khá nhanh nên thời gian dead-time khoảng
5us là thời gian được chọn.
Việc tính toán này là sơ bộ và cần phải căn chỉnh lại khi tiến hành làm mạch
thực tế.

b. Mô phỏng Proteus.
Vẽ sơ đồ mạch như hình bên dưới. Với hàm tạo dead-time:
Hình 3.7: Hàm tạo dead-time
Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng Proteus

Hình 3.9: Dạng sóng ngõ ra PIC và ngõ vào cực G của mosfet.
Kênh A: Ngõ ra PIC kích cho opto 1
Kênh B: Ngõ vào cực G1 mosfet 1
Kênh C: Ngõ ra PIC kích cho opto 2
Kênh C: Ngõ vào cực G2 mosfet 2

Hình 3.10: Điện áp ngõ ra kích cho biến tử
Kênh A: Điện áp ngõ ra biến áp xung kích cho biến tử.

3.3. Thiết kế khối điều khiển.
Khối điều khiển có chức năng cài đặt thời gian, hiển thị thời gian và phát xung
PWM (tự tạo) cho opto, hiển thị thời gian đã chạy. Với các chức năng đơn giản kể trên.
PIC16F887 có khả năng đáp ứng được.
Hình 3.11: Mạch điều khiển
Mạch cần nạp code nhiều lần để thử nghiệm nên dùng chân 1 đến chân 5(nối vào
PIC) của hàng rào để nạp code được tiện lợi hơn. Chân 9 và 10 tạo xung cho mạch công
suất.
 Tính toán điện trở qua LED đơn và LED 7 đoạn.
Điện áp hoạt động của led 10mA 𝑉𝐿𝐸𝐷 = 3V
Do đó điện trở qua led được tính như sau
𝑉5𝑉 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐿𝐸𝐷 = 𝐼𝑅 × 𝑅 + 𝑉𝐿𝐸𝐷 (3.3.0)
⇒R=
𝑉5−𝑉𝐿𝐸𝐷
𝐼𝐿𝐸𝐷
=
5−2
10×10−3
= 200 (𝛺)
Chọn điện trở 220 Ohm 1/4W có trên thị trường.
 Tính toán điện trở kéo lên cho ngõ vào

Điện trở kéo lên nhằm đảm bảo hiện tượng trôi nổi của điện áp ngõ vào. Tính
toán điện trở kéo lên dựa vào nguồn cấp cho PIC. Ta muốn dòng điện khi nhấn nút nhấn
là bé nhất, thường chọn dòng tiêu thụ khi nhấn nút nhấn là 0.5mA.
⇒ 𝑅 =
𝑉5
𝐼𝑅
=
5𝑉
0.5𝑚𝐴
= 10(𝐾𝛺) (3.2.1)
3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.
Hình 3.12: Mạch nguồn 155V cấp cho sơ cấp
Tính toán thông số cho mạch nguồn 155V. Đối với mạch chỉnh lưu cầu diode ta
có công thức:
𝑣𝑜𝑢𝑡 = √2 × 𝑉
𝑎𝑐 = √2 × 110 = 155(𝑉) (3.4)
Dòng trung bình qua diode:
𝐼𝑑 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 1(𝐴) (3.5)
Điện áp nghịch qua diode:
𝑉𝑑 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 155 (𝑉) (3.5)
Chọn diode cầu có 𝑉
𝑟𝑚𝑠 > 155𝑉. Diode cầu RS507 có 𝑉
𝑟𝑚𝑠 = 700𝑉, dòng 𝐼𝑑 =
𝐼𝑜𝑢𝑡 = 5𝐴.
Chọn tụ lọc có giá trị càng cao càng tốt. chọn tụ C=270uF

Hình 3.13: Mạch nguồn 12V cấp cho mosfet
Dòng cấp cho cực G mosfet rất nhỏ có thể sử dụng cầu diode như mạch nguồn
155V. Với tụ lọc là 1000uf.
Hình 3.14: Mạch nguồn 5V cấp cho mạch điều khiển.
Điện áp lấy từ nguồn sạc 7V cấp qua cho IC7805 tạo ra điện áp 5V cấp cho mạch
điều khiển.

3.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Nguyên lý hoạt động:
Xung kích được lấy từ vi điều khiển kích cho opto PC847.
Giai đoạn 1: Opto PC847 thứ nhất (U5) dẫn làm cho điện áp dẫn vào cực G1 của
Q1, Q1 dẫn, cảm ứng điện từ làm cho ngõ ra của biến áp âm 400V. Lúc này Q2 đóng.
Sau đó Opto PC847 thứ nhất (U5) ngưng dẫn, tạo trễ một khoảng dead-time là 5us. Sau
thời gian 5us tới giai đoạn 2.
Giai đoạn 2: Opto PC847 thứ hai (U4) dẫn làm cho điện áp dẫn vào cực G2 của
Q2, Q2 dẫn, cảm ứng điện từ làm cho ngõ ra của biến áp dương 400V. Lúc này Q1 đóng.

Sau đó opto PC847 thứ 2 (U4) ngưng dẫn, tạo trễ một khoảng dead-time là 5us. Sau thời
gian 5us trở lại giai đoạn 1.
Giai đoạn 1 và giai đoạn 2 luân phiên nhau tạo ra điện áp ngõ ra 800V đỉnh đỉnh
tại cuộn sơ cấp.

CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
Từ các tài liệu ở chương trước chương 4 em sẽ tiến hành thi công và lắp đặt hệ thống
theo những gì đã tính toán và mô phỏng được.
4.1. Thi công hệ thống.
4.1.1. Thi công bo mạch.
Hình 4.1: Sơ đồ layout linh kiện
Bảng 4.1: Thông số và số lượng các linh kiện cần mua
STT Tên linh
kiện
Giá trị Số lượng Dạng vỏ Chú thích

1 IC 7805 1A 1 TO220 Có tản nhiệt
2 IC 7812 1A 1
3 Cầu diode 4A 3
4 Điện trở 220 15
5 IC PIC
16F887
1 DIP40
6 IRF840 2 TO220
7 Điện trở 1k𝛺 5
8 Điện trở 330𝛺 2
9 Điện trở 10𝛺 2
10 Led xanh 10ma 1
11 Led 7 đoạn 2 Anode chung
12 Led đỏ 10ma 1
13 Opto pc847 1
14 Hàng rào 1 Đực
15 Nút nhấn 5 2 chân
16 Tụ điện 10uf 1 Tụ hóa phân cực
a. Thi công mạch điều khiển.
Hàn các linh kiện thấp trước sau đến các linh kiên cao dần.
Để IC7805 gắn vào sau cùng. Trước khi gắn IC 7805 vào mạch ta kiểm tra sơ bộ
mạch trước xem có chạm chập gì không, có lem đồng giữa các chân hay không. Để kiểm
tra ta dùng đồng hồ VOM để ở thang đo thông mạch đo. Đo thông mạch nguồn và mass,
kiểm tra nghi vấn những chỗ có dấu hiệu. Cẩn thận vì chỉ cần một mẩu chỉ có thể làm
ngắn mạch.

Nạp chương trình nhấn Start đo thử điện áp trên chân kích của PIC16F887 nếu
điện áp ổn định thì thành công mạch điều khiển.
Hình 4.2: Mạch điều khiển sau khi thi công
b. Thi công biến áp xung.
Quấn biến áp xung theo thông số như đã tính toán. Cuộn sơ cấp quấn từ chân 1
đến chân 2 rồi đến chân 3 tất cả cùng chiều. cuộn thứ cấp quấn theo chiều nào cũng
được. Chú ý quấn chắc tay và giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn thêm 1 lớp băng keo
giấy giúp cách ly tốt hơn giữa sơ cấp và thứ cấp.

Hình 4.3: Quấn biến áp xung
c. Thi công mạch công suất.
Mạch công suất chỉ có vài linh kiện nên không cần phải vẽ mạch in. Ta dùng test
board hàn trực tiếp. chú ý các chân của opto vì dễ nhầm lẫn.
Hình 4.4: Mặt sau mạch công suất sau khi thi công

Hình 4.5: Mặt trước mạch công suất sau khi thi công
d. Thi công mạch nguồn.
Mạch nguồn chú ý khi thi công nhớ gắn vào cầu chì để bảo vệ mạch điện và các
thiêt bị trong nhà. Kiểm tra điện áp ngõ ra của các board nguồn sau khi thi công xong.
Hình 4.6: Mạch nguồn
e. Thi công lắp ráp biến tử vào bể rửa.
Lắp ráp biến tử vào bồn rửa bằng keo A-B: trộn keo A-B lại với nhau đổ lên đáy
bồn rửa sau đó để biến tử lên. Chờ khoảng vài tiếng là keo sẽ cứng.
Hình 4.7: Lắp ráp bể rửa siêu âm

4.1.2. Lắp ráp và kiểm tra.
Mạch nguồn chắc chắn là đã được kiểm tra đúng với các thông số trước khi gắn
vào hệ thống. Gắn chân kích của pic16F877 tới opto của mạch công suất. gắn nguồn
điện vào hệ thống.
Trước khi gắn bật nguồn 110v ta phải kiểm tra điện áp các chân kích có ổn định
hay không. Nếu kim không nhảy lung tung là được. bật khởi động hệ thống, lấy đồng
hồ VOM đo vào ngõ ra của biến áp, sau đó nhấn tắt. nếu đồng hồ VOM giảm dần điện
áp từ từ là mạch chạy đúng còn nếu điện áp giảm đột ngột là do trùng dẫn cần thay đổi
thời gian dead time giữa các chân hoặc xem lại mạch công suất xem có sai xót gì
không.
Biến tử siêu âm phải được gắn chắc chắn với bể rửa. Bề mặt biến tử siêu âm và
bề mặt đáy bể rửa phải song song với nhau. Như thế lực truyền sẽ đạt hiệu quả cao nhất.
Hình 4.8: Mạch công suất và mạch nguồn sau khi đã lắp ráp xong
4.2. Thi công mô hình.
Đặt các mạch lên tấm mica, sắp xếp các linh kiện một cách hợp lý. Tránh để vỏ
của tản nhiệt chạm vào bể rửa, vì như thế sẽ gây ra giật điện. khoan các lỗ để bắt ốc, cố
định mạch công suât trên tấm mica.

Sử dụng dây điện ngắn để nối giữa các mạch điện. Tránh để rối dây. Sử dụng
keo nhựa để cố định bảng mạch nếu cần thiết.
Hình 4.9: Mô hình máy rửa sau khi thi công
4.3. Lập trình hệ thống.
Lưu đồ giải thuật:
Hình 4.10: Chương trình điều khiển hệ thống bật tắt

4.4. Hướng dẫn sử dụng.
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, lúc này đèn xanh sáng báo hiệu hệ thống đang ở trạng
thái chờ bấm khởi động.
Bước 2: Đổ nước vào bể rửa, tiếp theo cho hóa chất vào bể rửa (dựa vào đối tượng cần
thẩy rửa).
Bước 3: Bỏ đối tượng cần tẩy rừa vào bể.
Bước 4: Nhấn nút bật trên PIC16F887 đèn led xanh sẽ tắt đèn led vàng sẽ sáng. Lúc này
biến tử siêu âm sẽ thực hiện chức năng tẩy rửa và có âm thanh phát ra từ biến tử.
Bước 5: Chờ cho vật cần tẩy rửa sạch, nhấn nút tắt, đèn led vàng sẽ tắt, đèn led xanh sẽ
sáng. Biến tử ngừng hoạt động.
Bước 6: Bỏ đối tượng cần tẩy rửa ra ngoài, đổ nước và hóa chất tẩy rửa ra ngoài, chú ý
đem bao tay nếu là hóa chất độc hại.

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
5.1. Mạch điều khiển.
Không đáp ứng nhu cầu đặt ra từ trước khi làm đồ án như có thể hiển thị LED7
đoạn cài đặt thời gian chạy, có cảm biến nhiệt độ để điều khiển thiết bị gia nhiệt. chỉ
thực hiện được chức năng cơ bản là tạo xung kích cho mạch công suất.
Mạch điều khiển tạo xung ổn định cho biến tử siêu âm.
5.2. Mạch công suất.
 Mạch công suất đã tạo ra được điện áp đo trên đồng hồ VOM số là 230VAC
gần đạt tới điện áp tính toán.
 Mạch công suất cấp tần số và điện áp cho biến tử siêu âm hoạt động. Bể rửa tạo
ra bọt nhỏ, to xung quanh đáy của bể rửa.
 Xuất hiện các bọt di chuyển hỗn loạn trong bể va chạm với thiết bị cần rửa.
Hình 5.1: Kết quả tẩy rửa

 Đưa tay vào bể rửa có hiện tương như bị giật điện. (hiện tượng bình thường khi
cho tay vào bể rửa siêu âm).
 Biến tử siêu âm kêu to và có thể tẩy rửa được một số thiết bị, vật bẩn.
 Bỏ vật cần tẩy rửa vào có hiện tượng khuếch tán các bụi bẩn ra xung quanh.
 Mạch công suất tuy chưa đạt đủ công suất nhưng hoạt động ổn định và có thể
tẩy rửa.

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN
6.1. Kết luận.
Trong quá trình thực hiện mạch tuy gặp nhiều khó khắn do thiếu kiến thức và
nhân lực. Nhưng em đã rất cố gắng, nỗ lực để hoàn thành yêu cầu cơ bản nhất của máy
rửa siêu âm.
Kết quả:
 Thiết kế thi công lập trình được mạch điều khiển tạo ra xung điều khiển
kích cho mosfet hoạt động ổn định.
 Thiết kế và thi công được mạch công suất từ lý thuyết cơ bản.
 Thiết kế tính toán được bộ nguồn phù hợp với mạch công suất.
 Thiết kế và thi công biến áp xung.
 Lập trình phần mềm dead time cơ bản nhất có thể.
 Công suất tẩy rửa tổng của hệ thống đo được là 35 -40W.
Hệ thống có công suất chưa đúng với tính toán thiết kế ban đầu do thời gian và
khả năng hạn chế. Chưa có công cụ hỗ trợ tốt trong suốt quá trình làm đồ án.
Mô hình theo em thấy là đạt được kết quả tương đối khả quan. Áp dụng được
những kiến thức cơ bản nhất vào thực tế.
6.2. Hướng phát triển đề tài.
Sau khi làm xong đồ án về máy rửa siêu âm em thấy cần cải tiến rất nhiều thì
mới có thể trở thành sản phẩm có tính kinh tế cao được. Hướng cải tiến và phát triển
như sau.
 Cải tiến cách quấn biến áp để cho điện áp tốt hơn.
 Cải tiến mạch điều khiển có thể lập trình PWM với Dead- time
 Không cần cách ly mạch điều khiển và mạch công suất, cần tính toán ảnh hưởng
của điện áp cao đến PIC.

 Thiết kế tính toán chính xác bể rửa, bề dày bể rửa, phương pháp tối ưu gắn biến
tử vào bể rửa.
 Thử nghiệm, đánh giá các ảnh hưởng cửa nhiệt độ và hóa chất đến khả năng tẩy
rửa.
 Lựa chọn các linh kiện và thành phần cấu thành bể rửa rẻ nhất để có thể đưa vào
sản xuất.
 Thiết kế máy rửa siêu âm nhúng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hà A Thồi, Bài giảng Kỹ thuật siêu âm. Tài liệu lưu hành nội bộ Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
[2] Mai Xuân Sỹ, Thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm tại Việt Nam. 28/09/2009.
[3] Nguyễn Vũ Trường, Ứng dụng chất hoạt động bề mặt trong các sản phẩm tẩy rửa.
Đại học Cần Thơ.
[4] datasheet PIC16F887.
[5] Bilal Malik, Ferrite transformer turns calculation with example.
http://microcontrollerslab.com/.
[6] PGS.TS. Hoàng Ngọc Văn. Giáo trình điện tử công suất. Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật TP.HCM.
[7] Nguyễn Phú Quý, Huỳnh Nguyên Trà, đồ án tốt nghiệp, “thiết kế và thi công máy
rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình” .Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP.HCM, 7/2016.
[8] Chankit Buasri and Anuwat Jangwanitlert, Comparison of Switching Strategies for
an Ultrasonic Cleaner, Department of Electrical Engineering, King Mongkut’s
Institute of Technology Ladkrabang.
[9]L. Svilainis, G. Motiejßnas, “Power amplifier for ultrasonic transducer excitation
Signal processing department”, Kaunas University of Technology.
[10] F. John Fuchs and William L. Puskas, Application of Multiple Frequency
Ultrasonics. 9 North Main St., Jamestown, NY 14701. 6/2005
[11] Carl Blake and Chris Bull, IGBT or MOSFET: Choose Wisely, International
Rectifier

PHỤ LỤC
Chương trình:
#include <16F887.h>
#fuses NOWDT, NOPROTECT, BROWNOUT, PUT, NOLVP ,INTRC_IO
#use delay(clock = 4M)
#define on PIN_A0
#define off PIN_A2
#define LEDSETUP PIN_E1
#define LEDRUN PIN_E0
#define GF1 PIN_B0
#define GF2 PIN_B1
unsigned int8 k,i,j,tt_on;
VOID phim_on()
{
IF(!INPUT(on))
{
DELAY_MS(20);
{
IF(!INPUT(on))
{
tt_on=1;
output_high(ledrun);
output_low(ledsetup);
DO{}
WHILE(!INPUT(on));
}
}
}

}
VOID phim_off()
{
IF(!INPUT(off))
{
DELAY_MS(20);
{
IF(!INPUT(off))
{
tt_on=0;
output_low(ledrun);
output_high(ledsetup);
DO{}
WHILE(!INPUT(off));
}
}
}
}
void pwm_dead_time40khz()
{
output_high(gf1);
delay_us(6);
output_low(gf1);
delay_us(5);
output_high(gf2);
delay_us(6);
output_low(gf2);
delay_us(5);

}
void main()
{
tt_on=0;
set_tris_d(0x00);
set_tris_b(0x00);
set_tris_a(0xff);
OUTPUT_D(0x00);
OUTPUT_b(0x00);
output_low(ledrun);
output_high(ledsetup);
while(true)
{
phim_on();
while(tt_on)
{
pwm_dead_time40khz();

delay_us(25);
phim_off();
}
}
}

Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp.pdf

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Ähnlich wie Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp.pdf

Ähnlich wie Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp.pdf (20)

Mehr von Man_Ebook

Mehr von Man_Ebook (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp.pdf