Nghiên cứu phơng pháp thiết kế mạch dao động
trong thiết bị cảm ứng bánh tàu
TS. lê mạnh việt
Bộ môn Trang bị điện - Điện tử
Trờng Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bi báo nghiên cứu thiết kế một mạch dao động có điều khiển gồm ba quá trình
tự kích dao động, dao động ổn định v dập tắt dao động. Tín hiệu điều khiển l chuyển động
của bánh tu cắt qua không gian hỗ cảm của hai cuộn dây trong mạch dao động. Giải pháp l
xây dựng chơng trình mô phỏng các quá trình của mạch dao động để tìm đợc vùng hợp lý
(hay tối u một phần) cho các thông số cần thiết của mạch, để sau đó hon thiện các thông số
khác còn lại.
Summary: The article reports a study on designing a controlled oscillator including three
phases: self-exciting, stable oscillating and oscillation fading. The controlling signal is the
existance of the train wheels in the magnetic zone of the L
1
and L
2
coils. The measure is to
develop a model simulating the phases of the oscilation in order to fìnd out the sound zone (or
partly optimal) for necessary characteristics, and later on for completion of the other remaining
ones.

I. Đặt vấn đề
Một mạch dao động điện tử LC bán dẫn
có thể làm việc và làm việc tin cậy trong cả 3
quá trình tự kích, ổn định và dập tắt dao động
theo tín hiệu hỗ cảm (chức năng phản hồi) là

xử lý. Khâu xử lý thu thập và xử lý tín hiệu tuỳ
theo các ứng dụng đo lờng, giám sát, cảnh
báo,

Lọc
S Bánh tàu
U
th

Xử lý

Trong cảm biến bánh tàu mạch dao động
là khâu đầu tiên. Nó là khâu rất quan trọng
góp phần quyết định đến sự làm việc chính
xác, ổn định của cảm biến bánh tàu trong điều
kiện thời tiết khắc nghiệt, chấn động và có sự
sai lệch mài mòn của đối tợng. Vấn đề đặt ra
là tính chọn các phần tử đáp ứng đợc yêu
cầu đó. Hiện tại với các u điểm rõ rệt ta chọn
mạch dao động bán dẫn làm mô hình tính
toán (hình 2).
Với mạch dao động này cũng nh các
mạch dao động khác để tính chọn đợc chính
xác các thông số L, R, M, C, S của mạch để
đáp ứng đợc yêu cầu mong muốn là rất khó
khăn vì các thông số không có mối quan hệ
tờng minh và quan hệ tuyến tính. Vì vậy để
có đợc 1 mạch dao động đáp ứng các yêu
cầu đặt ra ta giải bài toán ngợc bằng cách
xây dựng 1 dạng sóng phù hợp theo chức

2
là điện cảm cuộn dao động n
2
R: Điện trở cuộn n
2
M: Hỗ cảm giữa 2 cuộn n
1
và n
2
C: Điện dung của tụ ở mạch vòng dao
động LC
S: Hệ số hỗ
dẫn trung bình của
Tranzito T
So sánh với
phơng trình chuẩn
dao động kinh điển:
x + 2

x +
o
2
x = 0
(2)
x
''
+ 2a
o
x
'

L2
1
= 0 R.C = S.M
(7)
Với bóng bán dẫn đã chọn và thiết kế
vùng làm việc có thể coi S = const, thờng lựa
chọn C chuẩn hoá thông số. Hai thông số R,
M có một chút quan hệ không chặt chẽ lắm.
- M chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố: Vị trí
2 cuộn hỗ cảm L
1
, L
2
(Phơng của 2 cuộn hỗ
cảm và khoảng cách giữa chúng); Số vòng
dây của 2 cuộn dây L
1
và L
2
.
- Điện trở R do số vòng dây và tiết diện
dây L
2
quyết định.
Nh vậy ta có thể coi nh M biết trớc
sau đó tìm R. Việc đo đợc chính xác M là rất
L2
L1
R
C

Vấn đề là tự kích nhanh nh thế nào cho phù
hợp ta sẽ xét đồng thời với điều kiện dập tắt
nhanh dao động.
+ Khi > 0 sẽ có dập tắt dao động,
với M = M
dt
, M
dt
là hỗ cảm dập tắt, ta có:
R.C > S.M
dt
(9)
Giả thiết lý tởng hoá khi M = 0 lúc bánh
tàu cắt qua, ta có:

dt
= )
C
M
.SR(
L2
1
= )
C
0
.SR(
L2
1
=
L2

)
C
M
.SR(
L2
1
tk
=
L2
R

Vì vế trái âm nên

C
M
.S
L2
1
L2
R
tk
+ =
L2
RC
M
.S
L2


theo hỗ cảm M
3. Phân tích tần số dao động cho bài
toán cảm biến bánh tàu
Việc lựa chọn hợp lý hay tối u 1 phần
các thông số mạch dao động còn phải tuân
theo luật về tần số tín hiệu và tần số lấy mẫu:
"Nếu tần số tín hiệu là f
th
thì tần số lấy mẫu ít
nhất cũng phải lớn hơn 2.f
th
".
Về mặt vật lý ở tần số đủ cao các tổn hao
từ trễ, tổn hao dòng xoáy fucô mới phát huy
tác dụng. Thực tiễn chỉ ra rằng nếu tần số
càng cao thì hiện tợng phát nóng, mất mát
năng lợng dòng xoáy càng cao, và nó có tính
bề mặt cao của dòng xoáy.
Với bài toán thực tiễn cảm biến bánh tàu,
mạch dao động phát hiện và làm ngừng dao
động thì điều kiện ngừng dao động là điều
kiện cần sẽ đợc thực nghiệm theo kích thớc
cụ thể của các loại bánh tàu của các loại đầu


M
tb
0
dt

/v
0
(s)
với v
0
là tốc độ đoàn tàu.
Hiện nay tốc độ của các đoàn tàu Việt
Nam khoảng 100 km/h và 1 số đoạn có thể
cao hơn, thậm chí tơng lai còn tới khoảng
200km/h. Giả sử ở đây ta chọn giá trị tơng lai
v
0
= 180 km/h = 50 m/s. Khi đó thời gian tác
động của bánh tàu là:
t
0
=
50
10.10
2
= 0,0002 (s) = 0,2 (ms)
(14)
Đây chính là thời gian làm ngừng dao
động. Trong cảm biến bánh tàu cần phải bổ
xung thêm các khoảng thời gian trễ để thu
thập và xử lý tín hiệu. Vì vậy ta không thể
dùng toàn bộ thời gian t
0
để dập tắt dao
động. Để dự trữ chính xác thời điển tác động

= 10 (16)
Do đó exp(-
dt
. t
dt
) = 0,1

dt
= K
sg
/ t
dt
=

ln10/t
dt
(17)

dt
= ln10/0,0001 = 2,3/0,0001 = 23000
Sơ bộ có thể kết luận nếu
dt

23000 thì
dao động đã tắt 10 lần tơng ứng 10
-4
s.
ở trên lại có
dt
=

tần số từ 100 đến vài trăm kHz.

- Tần số phải đảm bảo biên
độ tín hiệu lúc không có bánh tàu
>> biên độ tín hiệu lúc có bánh
t
0
= 2.10
-4

s
t
dt
t
0
/2
Hình 4. Thời gian bánh tu tác động vo cảm biến
v độ suy giảm của dao động

tàu, hoặc không có dao động khi bánh tàu đi
qua.
- Thời gian tự kích, thời gian dập tắt 0,1
(ms).
- Hệ số dập tắt
dt
tính đợc tuỳ theo hệ
số suy giảm K
sg
đã chọn. Nhng nên chọn
là bao nhiêu? Thực tế chỉ cần biên độ giảm đi

x =
0
Nhng ta chuẩn hoá bằng phơng trình
kinh điển (2):
x
''
+ 2a
o
x
'
+
o
2
x = 0 (2)
Từ đó dựa vào các thông số a,
o
phù
hợp để thoả mãn các điều kiện: Tần số; Tự
kích - thiết lập dao động; Dập tắt dao động.
Muốn có các quan hệ tơng ứng của
o,
a, R,
dt
trong một mach dao động đa nhiệm
đặt ra ở trên, cần xây dựng chơng trình mô
phỏng chúng.
Mô phỏng phơng trình (2) trên Matlab
với các điều kiện:
+ Điều kiện đầu x(0) xác định,
x(0) = 0,1.A

0
và
thông số a để làm cơ sở tính toán các thông
số khác theo các công thức nh đã phân tích
ở trên
. Có f
0

o
= 2f
0
.
. Có a
dt

= a.
o
. L =
C.
1
2
0


. R = 2. .L
.M
tk
=
S
RC2

Hình 6. Tín hiệu ra mạch dao động với f
0
= 140 khz
Hình 7. Tín hiệu ra mạch dao động với f
0
= 220khz
Nhng với a = 0,017, f
0
= 220 khz (nh
hình 4) ta thấy: Thời gian dập tắt < 0,1ms, Tỷ
lệ biên độ gấp hơn 100 lần.
- Cách thứ 2 ta chọn thông số f
0
= const
sau đó thay đổi a để tìm dạng sóng thích hợp.
Khi đã tìm đợc a, f
0
phù hợp yêu cầu thì vận
dụng các công thức để tính ra L, R, M tơng
ứng nh trên đã thực hiện.
6. Nguyên lý xử lý tín hiệu cảm ứng
bánh tàu đ qua lọc
0
(cỡ 100 ữ 250kHz) với tin
tức có tần số 50 hz. Cần lọc lấy tin tức
này, và sau lọc cần
biến chúng thành tin
tức sử dụng đợc.

v

0
.
Tính toán R
0
và R
n
sao cho thích hợp với
bài toán cảm ứng bánh tàu, ta chọn tỷ lệ: K
cb
-
Hệ số cảm biến.
1 << R
0
/R
n
= K
cb
. (18)
Độ nhạy của K
cb
có thể từ 10 tới 100 tuỳ
các ứng dụng.
Có thể chọn mạch xử lý thực hiện nguyên
lý sensor trên đơn giản nhất nh hình 8.
ở hình 8 có 2 tầng Transistor làm việc ở
chế độ đóng mở có nguyên tắc :
+ Khi không có tín hiệu bánh tàu S =
0, mạch dao động làm việc ổn định với tần số
f
0

mở, khi T
1
mở góp T
1
lại là gốc
T
2
hạ thấp làm T
2
đóng. T
2
đóng thì dòng qua
R
2
nhỏ. Tính toán dòng điện qua R
1
và R
2

trong trờng hợp này sao cho I
v
nhỏ.
- Khi S = 1 có bánh tàu tác động thì
U
th
= 0, T
1
đóng làm góp T
1
cũng là gốc của T

đạt
đợc yêu cầu trên thì chỉ cần chọn R
2
nhỏ hơn
R
1
khoảng 20 lần.
Ví dụ, với các Transistor thông dụng có
thể chọn R
1
= 30 ữ 50 K, còn R
2
thì chọn
trong khoảng: 0,5 ữ 1 K, tuỳ theo công suất
và hệ số khuyếch đại tĩnh .

Sự thay đổi dòng điện trên các Tranzito
cần phải phản ánh ra ngoài. Để thực hiện nó
cần có bộ ổn áp song song với nguồn cấp cho
2 tầng Transistor trên, nh hình vẽ 8. Việc
chọn ổn áp dựa chủ yếu vào điện áp cung
cấp. Với các mạch thông dụng chọn ổn áp
Zener với U
0
= 10,5 ữ 12 V. Nh vậy với
u
cc
= const = U
0
của ổn áp, thì việc đóng mở

k
cb
= R
0
/R
n
Z
0
/Z
n
I
2(s=1)
/I
2(s=0)
(19)
ở đây điện áp luôn luôn đợc giữ bằng
hằng số do ổn áp, khi có tín hiệu S = 1 là có
bánh tàu, khi S = 0 là không có bánh tàu.
Có thể chọn các phần tử R
1
, R
2
nh trên
để hệ số cảm biến k
cb
cỡ 15 ữ 30.
III. Kết luận
Với chơng trình mô phỏng đã lập kết
hợp với:
1, Thông số điện dung C

[3]. Vũ Quí Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú. Cơ
sở Kỹ thuật Đo lờng Điện tử. NXB Khoa học & Kỹ
thuật 2004.
[4]. Các qui trình và thử nghiệm Điện tử Jhon
D.Lenk (Bản dịch). NXB Khoa học & Kỹ thuật 1995.
[5]. Cơ sở kỹ thuật điện tử số. Đại học Thanh Hoa,

Bắc Kinh 2001 (bản dịch).
[6]. Phạm Thợng Hn, Nguyễn Trọng Quế. Kỹ
thuật Đo lờng các đại lợng Vật lý. NXB Giáo
dục, 2004.
[7]. Cẩm nang Kỹ thuật điện, tự động hoá và tin học
công nghiệp (bản dịch). NXB Khoa học & Kỹ thuật
1994.
[8]. Donald G. Fink, Donald Christiasen. Sổ tay Kỹ
s điện tử. McGraw-Hill Book Company 1994 (bản
dịch 1996).
[9]. H. H. Epchikhiep, IA. A. Kypersmidt, B.
PH.Papulôp - ckii, B. H. Skurôpôb. Đo lờng các
đại lợng điện và phi điện (Tiếng Nga). Nhà xuất
bản Tự động hoá năng lợng Matcơ va,1993.
[10]. Phạm Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến. Giáo
trình cảm biến. NXB Khoa học & Kỹ thuật 2000.
[11]. Davit. A.Bell. Dụng cụ và đo lờng Điện Tử
(Bản dịch). NXB Khoa học & Kỹ thuật ,1994.
[12]. Lê Văn Doanh, Phạm Thợng Hn, Nguyễn
Văn Ho. Các bộ cảm biến trong Kỹ thuật Đo lờng
và Điều khiển. NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2001.
[13]. Cơ sở kỹ thuật điện tử số. Đại học Thanh Hoa,
Bắc Kinh 2001 (bản dịch). Book Company 1994