Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Ngày sinh:10/08/1981 Nơi Sinh: Hà Nội
Khoá: 02 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Kỹ thuật điện tử
1. ðầu ñề luận văn:
Nghiên cứu, thiết kế Bộ ngắt dòng dò

2. Các số liệu và dữ liệu ban ñầu:
Khi sử dụng trang thiết bị điện luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện, gây tổn thương, thậm chí
dẫn đến tử vong cho nạn nhận. Cường độ dòng điện cực đại chưa gây nguy hiểm khi chạy qua
cơ thể người là 5mA. Việc thiết kế chế tạo các thiết bị đảm bảo an toàn điện và thiết bị phục
vụ thí nghiệm an toàn điện là rất cần thiết.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể người, các biện pháp phòng
tránh giật điện. Áp dụng lý thuyết cảm ứng điện từ, lý thuyết về điện tử để tính toán, thiết kế
các sản phẩm.

4. Các bản vẽ, ñồ thị:
Bản vẽ sơ đồ nguyên lý các mạch điện, bản vẽ thiết kế khung vỏ, thiết kế mặt của các sản
phẩm trong luận văn

Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Số hiệu sinh viên:

Ngành: Điện tử Khoá: 02

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện
:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm 2011
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )


5
MỤC LỤC
LỜI NÓI ðẦU 3
MỤC LỤC 5
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG 9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CHƯƠNG 1
MỞ ðẦU 11
1.1.Giới thiệu 11
1.2 Tinh hình an tòan ñiện trong thực tế 12

1.3 Nội dung luận văn
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN 14
2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan 14
2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện 14
2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người 19
2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận 19
2.1.2.2 Dòng thả lỏng 20
2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi 20
2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất 20
2.1.2.5 Cơn co tim duy trì 21
2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể 21
2.1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người 21
2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể. 23
2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện 25
2.2.1 An toàn trong hệ thống cung cấp ñiện 26
2.2.1.1 Hệ thống khuếch ñại ñiện tim ñạo trình chân phải 26
2.2.1.2 Hệ thống tiếp ñất ñẳng thế 26
2.2.1.3 Hệ thống phân phối ñiện cách ly 28

Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………… 72
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
7
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Chú chim đậu chân trần trên dây điện cao thế nhưng vẫn không bị giật 15
Hình 2.2 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây lửa của lưới điện 15
Hình 2.3 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây nối đất nên không bị giật điện 16
Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách điện, hay chập dây với vỏ. 17
Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn. 17

Hình 3.17 Đồ thị quan hệ hệ số khuếch đại vi sai tối đa của mạch……….…………… ……52
Hình 4.15 với tần số tín hiệu 53
Hình 3.18 Giao điện phần mềm Orcad 9.2 thiết kế mạch nguyên lý và mạch in 57
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng và khuếch đại vi sai 58
Hình 3.20 sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp bậc 2 59
Hình 3.21 Đáp ứng tần số và pha của mạch lọc 59
Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm và khối chấp hành 60
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 60
Hình 3.24 Mạch nạp STK500, nạp phần mềm nhúng cho vi điều khiển 62
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
8
Hình 3.25 Giao diện chương trình biên dịch CodevesionAVR 2.04.4a 63
Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán điền khiển bộ ngắt dòng dò 64
Hình 3.27 Thiết kế hộp sản phẩm bộ ngắt dòng dò 69
Hình 3.28 Mặt trên của bộ ngắt dòng dò 69
Sản phẩm bộ ngắt dòng dò Error! Bookmark not defined.
Ghép nối bộ ngắt dòng dò vào hệ thống điện. 71


Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ gốc Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
ADC
Analog to Digital Converter Bộ chuyển ñổi tương tự sang số
ATM Automatic Teller Machine Máy rút tiền tự ñộng
CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm
ECG Electrocardiogram ðiện tâm ñồ
GFCI

Ground –Fault Circuit
Interrupter Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
11
CHƯƠNG 1
MỞ ðẦU
1.1 Giới thiệu
Theo lý thuyết an toàn điện, cường độ dòng điện xoay chiều (50-60Hz) cực đại
chưa gây nguy hiểm lên cơ thể người là 5mA, khi cường độ dòng đạt mức 10-20mA đã
gây co cơ, khó thở. Qua khảo sát, các thiết bị như cầu dao, atomat chống sự cố dò đất
hiện có trên thị trường chủ yếu ngắt mạch điện với dòng dò ở ngưỡng lớn 30mA, và
không cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò điện của thiết bị điện đang sử dụng.
Với nhu cầu cấp thiết đó, luận văn đã thực hiện nghiên cứu, chế tạo bộ ngắt dòng
dò. Thiết bị có thể cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò điện khi dòng dò >500µA,
và ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA.
Quá trình thực hiện luận văn cần phải trải qua các bước từ nghiên cứu, tìm hiểu lý
thuyết, thiết kế sản phẩm, chế tạo, thử nghiệm kiểm tra sản phẩm. Đó là một quá trình
liên tục từ lý thuyết đến thực tế, thiết kế phần cứng, phần mềm nhúng, thiết kế cơ khí,
đến đo đạc kiểm nghiệm kết quả.
Luận văn đã nghiên cứu các nội dung về an toàn điện trong y tế, các nguy cơ giật
điện, tác dụng của dòng điện đối với cơ thể và cách phòng tránh. Cùng với đó là các lý
thuyết về cảm ứng điện từ, lý thuyết về điện tử, phương pháp hạn chế giật điện,
phương pháp đo dòng điện dò. Từ đó thiết kế chế tạo mạch đo dòng điện dò bằng cảm
biến dòng, áp dụng hiện tượng cảm ứng điện từ, không tiếp xúc trực tiếp với dòng điện.
Hiện nay có nhiều phương pháp đo dòng điện, có thể phân chia thành hai phương
pháp lớn là can thiệp và không can thiệp. Trong phương pháp đo cường độ dòng điện
can thiệp các thiết bị đo cường độ dòng (ampe kế) phải mắc nối tiếp với dây điện có
dòng điện chạy qua. Việc áp dụng phương pháp này để đo dòng điện dò trong thiết bị

xuyên quan tâm.
Mục tiêu của an toàn điện trong các tổ chức y tế liên quan tới bất kỳ một thiết bị
vận hành bằng điện nào được sử dụng tại các khu vực công cộng, các khu vực chăm
sóc sức khỏe nói chung và các khu vực chăm sóc đặc biệt trong bệnh viện.
Qua phân tích ở trên, với sự đa dạng của các trang thiết bị điện dân dụng tới lĩnh
vực y tế, có thể khẳng định nhu cầu sử dụng thiết bị đảm bảo an toàn điện là rất lớn.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
13
1.3 Nội dung luận văn
Chương 1. Mở ñầu. Chương 1 giới thiệu chung về luận văn, cũng như nhu cầu thực
tế đối với các sản phẩm mà luận văn thực hiện. Chương 1 cũng giới thiệu về cấu trúc
trình bày của luận văn.
Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết an toàn ñiện. Trong chương này giới thiệu những
nghiên cứu, tìm hiểu về các ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể con người và các yếu
tố liên quan tới mức độ của các tác động đó. Sau đó sẽ trình bày về các biện pháp
phòng tránh nguy cơ giật điện, tập trung vào trong lĩnh vực y tế. Tiếp theo là áp dụng
lý thuyết cảm ứng điện từ vào việc thiết kế thiết bị cảm biến dòng điện dò.
Chương 3. Thiết kế các khối chức năng. Chương 3 trình bày cụ thể về mục tiêu, yêu
cầu của sản phẩm mà luận văn thực hiện. Qua phân tích các yêu cầu kỹ thuật đó thiết
kế các khối chức năng đảm bảo các tính năng và yêu cầu đặt ra. Cùng với đó là trình
bày sự phối hợp hoạt động của các khối trong hệ thống. Sau khi thiết kế các khối chức
năng sẽ đi thiết kế các sơ đồ nguyên lý cho từng khối, sơ đồ nguyên lý của cả mạch
ngắt dòng dò. Trong chương này cũng có đề cập đến một số linh kiện quan trọng được
sử dụng cho thiết kế mạch và các phần mềm dung cho thiết kế.
Kết quả ñạt ñược. Trình bày cụ thể về các thông số kỹ thuật của các sản phẩm, cũng
như hướng dẫn lắp đặt, hướng dẫn sử dụng.
Kết luận. Phần kết luận sẽ tổng kết về những điều đạt được, những điều chưa đạt
được khi thực hiện luận văn và hướng phát triển trong luận văn trong tương lai.
Nếu không có hai điểm tiếp xúc trở lên trên cơ thể người, nơi dòng điện đi vào
và đi ra, thì không có nguy cơ giật điện. Nếu hai điểm tiếp xúc có cùng điện thế thì
cũng không bị giật điện. Đó là lý do tại sao chim đậu trên dây điện cao thế nhưng
không bị giật vì không có dòng điện nào chạy qua cơ thể nó. Để dòng điện chạy qua
một vật dẫn thì cần có điện áp chênh lệch trên nó. Nếu không có điện áp chênh lệch thì
không có dòng chạy qua vật dẫn. Vì thế dù con chim có đậu cả hai chân trên dây điện,
nhưng cả hai chân của nó đều tiếp xúc trên cùng một dây dẫn, hai chân tiếp xúc ở hai
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
15
điểm có cùng điện thế, do đó không có điện áp chênh lệch giữa chúng nên không có
dòng điện nào chạy qua cơ thể của nó.

Hình 2.1 Chú chim ñậu chân trần trên dây ñiện cao thế nhưng vẫn không bị giật.
Nhiều người tin rằng không thể bị giật khi chỉ tiếp xúc với một dây dẫn điện.
Giống như những chú chim, nếu chúng ta chắc chắn chỉ tiếp xúc với một dây dẫn tại
một thời điểm thì vẫn đảm bảo an toàn. Tất nhiên điều đó là không đúng. Không giống
như những chú chim, con người thường đứng trên mặt đất khi chúng ta tiếp xúc với
dây dẫn điện. Trong hệ thống điện lưới luôn nối đất tại nguồn. Khi một người đứng
trên mặt đất và chạm tay vào dây dẫn điện đã nối hai điểm trên một mạch điện, tạo
thành một mạch kín (dây dẫn, người và đất). Khi đó sẽ có dòng điện chạy qua cơ thể
người gây giật điện.

Hình 2.2 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây lửa của lưới ñiện.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
16
Đất của nguồn điện lưới cấu tạo bởi các cọc kim loại dẫn điện tốt được chôn sâu
xuống đất để tạo tiếp xúc tốt nhất với đất. Đất của nạn nhân bị giật điệt thường thông
qua chân của họ, phần cơ thể chạm đất.
Có những điểm trên hệ thống điện đảm bảo an toàn khi tiếp xúc, đó là những
điểm có cùng điện thế với đất, những điểm nối đất. Ví dụ với người trong hình trên,

Có nhiều nguy cơ gây giật vi mô. Chủ yếu là dòng điện vi mô chạy trực tiếp qua
tim qua ống dẫn dịch. Bệnh nhân rất mẫn cảm với nguy cơ giật vi mô khi họ phải dùng
các dụng cụ như:
- Các điện cực của bộ tạo nhịp tim ngoài.
- Các điện cực cho các thiết bị điện tim (ECG) bên trong.
- Các ống dẫn dịch được đặt trong tim để đo huyết áp, lấy mẫu máu, hoặc để bơm
chất nhuộm thuốc vào tim.
Do ngưỡng giới hạn của dòng dò qua tim rất nhỏ, nên nguy cơ gây tử vong do
giật điện là rất cao.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
19

Hình 2.7 Dòng ñiện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối ñất bị ñứt thì
nguy cơ giật ñiện sẽ cao hơn.
2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người
Dòng điện đi qua cơ thể người gây nên ba ảnh hưởng cơ bản: làm tổn thương
các mô, làm teo cơ hay mất cảm giác không điều khiển được và sự rung tim. Đánh giá
đúng mức các hậu quả này phụ thuộc vào khả năng hoạt động của các tế bào. Các tế
bào cơ và tế bào thần kinh trong cơ thể làm việc như các pin hay các đơn vị phân cực.
Các hiệu thế của tế bào phân cực, khử cực, duy trì phân cực tăng lên từ sự tập trung
khác nhau của các ion natri, kali và clo qua các màng tế bào nửa thấm. Các tế bào phân
cực ở hiệu điện thế -70MV có thể được kích thích bởi bất cứ cách nào sau đây: cơ học,
hóa học, nhiệt, quang, và điện.
Cụ thể hơn, sau đây chúng ta sẽ xem xét các ảnh hưởng sinh lý trong cơ thể con
khi có dòng điện chạy qua.
2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận
Khi mật độ dòng điện đủ lớn để kích thích các đầu dây thần kinh trong da,
người ta sẽ cảm thấy ran ran như kiến bò. Ngưỡng cảm nhận là dòng điện nhỏ nhất khi
người ta có thể phát hiện được cảm giác trên. Ngưỡng này thay đổi đáng kể tùy theo
từng người và phù hợp với từng điều kiện cụ thể. Một người nào đó nắm một sợi dây

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
21
Trên thực tế, nguy hiểm nhất của giật điện là gây nên sự rung tim. Đó là hiện
tượng cơ tim bị rung thay vì nhịp bơm máu đều đặn. Kết quả là tim bơm máu không
hiệu quả. Mô tim là một trong các mô nhạy cảm nhất trong cơ thể người, sự kích thích
tim bằng điện bên trong thông thường bắt đầu bằng nút xoang nhĩ ở phía tâm nhĩ phải,
khởi đầu hoạt động đồng bộ tim.
Sự rung tâm thất có thể là kết quả của quá trình kích thích tim từ bên ngoài. Một
vài tế bào tim bị trục trặc và có thể gây nên một phản ứng dây chuyền của hoạt động
hỗn loạn. Sự sai lệch tiêu điểm của các xung điện truyền đi và gây sự mất đồng bộ
chức năng tim. Người ta có thể chết sau vài phút nếu không được chữa trị kịp thời
bằng phương pháp hồi sức tim phổi hoặc khử rung tim bằng máy khử rung tim. Khử
rung tim đòi hỏi một dòng điện lớn cỡ 6A trở lên chạy qua ngực nhằm thiết lập lại nhịp
tim.
2.1.2.5 Cơn co tim duy trì
Khi dòng điện đủ lớn thì toàn bộ cơ tim bị co. Mặc dù tim ngừng trong quá
trình dòng điện được duy trì nhưng nhịp bình thường sẽ phát sinh trở lại khi dòng điện
được ngắt (gần giống như quá trình chống rung tim). Các kết quả từ các thí nghiệm
chống rung tim trên động vật cho thấy rằng: dòng tối thiểu để co cơ tim hoàn toàn nằm
trong vùng từ 1A tới 6A. Không có bất kỳ một tổn thương nào đối với tim qua những
dòng điện này [1].
2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể
Những hiểu biết về ảnh hưởng của dòng điện 10A còn rất ít, đặc biệt là các dòng
điện tồn tại trong khoảng thời gian rất ngắn. Thường thì tại các điểm đầu vào của dòng
điện trên da nóng lên và gây ra bỏng. Các mô não và mô thần kinh khác mất tất cả khả
năng kích thích khi có dòng điện lớn chạy qua. Ngoài ra, những dòng điện quá lớn có
thể gây ra các cơn co cơ có khả năng bóc cơ ra khỏi xương.
2. 1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người
Dưới đây sẽ liệt kê tác hại của dòng điện đối với một số cơ quan tổ chức trên cơ
thể người có dòng điện chạy qua.

tâm ở hành não, hoặc do sự co cứng cơ hoành và thành ngực, do bại liệt cơ hô hấp kéo
dài, ngừng tưới máu não sau khi ngừng tim.
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
23
2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể
Nhắc lại định luật Ôm:
V
I
R
=
(2.1)
Cường độ dòng điện chạy qua một vật dẫn bằng điệp áp trên hai đầu vật dẫn
chia cho điện trở của vật dẫn đó.
Cường độ dòng điện chạy qua cơ thể người bằng giá trị điện áp giữa hai điểm
tiếp xúc của cơ thể chia cho điện trở của cơ thể người giữa hai điểm đó. Nếu điện áp
chênh lệch càng lớn thì dòng điện chạy qua cơ thể người càng lớn. Do đó nguy hiểm
của điện áp cao là dẫn tới có dòng điện lớn chạy qua cơ thể người bị điện giật. Với
dòng điện lớn đó sẽ gây tổn thương nặng, thậm chí dẫn đến tử vong. Mức độ nguy
hiểm, hay độ lớn của dòng điện chạy qua cơ thể người còn phụ thuộc vào điện trở giữa
hai điểm tiếp xúc của người đó với dòng điện.
Dưới đây sẽ liệt kê một số yếu tố ảnh hưởng tới mức độ tác động của dòng điện lên
cơ thể con người khi có dòng điện chạy qua:
- Loại dòng điện, tần số dòng điện: Cùng một mức điện thế, dòng điện xoay chiều
nguy hiểm hơn dòng điện một chiều. Ngưỡng điện áp an toàn của dòng điện xoay chiều
trong điều kiện khô ráo là 50V, của dòng điện một chiều là 80V. Dòng điện một chiều
có khuynh hướng chỉ gây lên co thắt cơ 1 lần duy nhất, thường ném nạn nhân ra khỏi
nguồn điện, do đó thời gian tiếp xúc với dòng điện ngắn. Dòng điện xoay chiều gây co
cơ liên tục hoặc làm co cứng cơ khi các sợi cơ được kích thích từ 40 đến 110 lần mỗi
giây.Tác dụng “ co cứng cơ ” làm duy trì sự tiếp xúc của người bị điện giật với dòng
điện. Dòng điện xoay chiều có khả năng tạo nên rung tâm thất (khi cường độ dòng điện

- Điện trở của điểm tiếp xúc, các tổ chức mô: Xương và da có sức cản lớn nhất
đối với dòng điện chạy qua. Điện trở của da (hay trở kháng da) là yếu tố quan trọng
nhất ngăn cản luồng điện bởi vì chính bề mặt da là nơi dòng điện phải đi qua để đi vào
cơ thể. Trở kháng da thường nằm trong khoảng 10K – 1MΩ. Điện trở của da rất thay
đổi, tùy thuộc vào độ dày, tính chất khô ráo và mức độ sạch sẽ. Điện trở của da có thể
bị giảm rất nhiều do sự ẩm ướt. Khi da bị ướt hoặc bị tổn thương, trở kháng da có thể
giảm còn 1% khi da khô. Sự ẩm ướt có thể biến đổi một tổn thương đáng lý là nhỏ
Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò
25
thành một tổn thương nguy hiểm đến tính mạng. Môi trường y tế có các yếu tố như
nước, dịch, hóa chất, máu… tiềm ẩn nguy cơ giật điện rất cao. Các tổ chức bên trong
như: cơ, mạch máu và dây thần kinh có điện trở thấp nhất.

Hình 2.8 Mô hình trở kháng bên trong cơ thể người.
- Thời gian: Ngưỡng của dòng điện gây rung tim đối với động vật tăng rất nhanh
đối với khoảng thời gian điện giật có giá trị nhỏ hơn 1 giây (qua các nghiên cứu thực
tế). Như ta đã biết, rung tim rất nguy hiểm trong khoảng 100 ms của chu kỳ tim, nó gần
tương ứng với sóng T của điện tâm đồ. Vì vậy, những cơn giật trong khoảng thời gian
ngắn được cung cấp trong khoảnh khắc của chu kỳ tim sẽ có ngưỡng rung tim cao hơn
rất nhiều lần.
2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện.
Có hai phương pháp cơ bản để phòng chống điện giật:
- Người sử dụng, bệnh nhân phải được cách ly, cách điện hoàn toàn khỏi tất cả
các vật nối đất và các nguồn điện.
- Duy trì mức đẳng thế ở các bề mặt tiếp xúc.