Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống sinh hoạt dân dụng, quạt máy xoay chiều một pha là thiết bị điện gia dụng phổ biến. Nguyên tắc hoạt động của quạt máy thông dụng dựa trên việc cấp điện cho cuộn dây stator đặt trên lõi tole silic, kết hợp tụ điện làm lệch pha giữa cuộn chạy và cuộn đề để tạo ra từ trường quay làm quay rotor. Theo phương pháp truyền thống, việc điều chỉnh tốc độ gió thường thực hiện bằng cách thay đổi điện kháng mắc nối tiếp với cuộn chạy thông qua việc quấn thêm các cuộn số (cuộn kháng) trên stator hoặc hộp số. Phương pháp này tồn tại các nhược điểm kỹ thuật rõ rệt: làm tăng chi phí sản xuất do tốn thêm lượng dây đồng, làm tăng thể tích và khối lượng lõi thép, đồng thời gây tổn hao năng lượng vô công trên chính các cuộn kháng.

Để khắc phục nhược điểm về mặt vật liệu của cuộn kháng, một số giải pháp sử dụng khóa bán dẫn công suất TRIAC hoặc SCR điều khiển pha điện áp đặt lên cuộn chạy đã từng được áp dụng. Tuy nhiên, việc cắt góc pha bằng TRIAC/SCR khiến dòng điện chạy qua stator có dạng sóng phi sin, sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao gây ô nhiễm lưới điện cục bộ, gia tăng độ méo hài tổng (THD), làm giảm hiệu suất động cơ và gây ra hiện tượng mô-men quay không đều, dẫn đến bạc đạn cơ khí nhanh bị mòn, hư hỏng.

Xuất phát từ các vấn đề thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thanh Quang và Vũ Thị Phương Anh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải) tập trung vào đề tài: "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại Android".

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định như sau:

  1. Nghiên cứu phương pháp điều khiển điện áp ngõ vào xoay chiều của động cơ quạt máy dựa trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) giảm áp AC/AC, không dùng cuộn số và không dùng các linh kiện gây méo hài lớn như TRIAC/SCR.
  2. Thiết kế và thi công mạch công suất giảm áp AC/AC sử dụng khóa bán dẫn công suất IGBT 25N120 và IC cách ly quang lái cổng TLP250.
  3. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ATmega328 trên board mạch Arduino Uno R3, tích hợp khối hiển thị LCD 16x2 giao tiếp I2C và khối điều khiển tại chỗ bằng module Encoder KY-040.
  4. Xây dựng ứng dụng trên điện thoại thông minh hệ điều hành Android (bằng phần mềm Android Studio) để điều khiển từ xa và đồng bộ dữ liệu với hệ thống thông qua module Bluetooth HC-05 chuẩn UART.
  5. Thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh đặt gọn trong đế quạt, chạy thử nghiệm, đo đạc dạng sóng và đánh giá độ méo hài ngõ ra.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ quạt cây một pha xoay chiều thông dụng có dải công suất từ 30W đến 60W.
  • Phạm vi không gian: Giao tiếp không dây giữa điện thoại thông minh và quạt thông qua chuẩn Bluetooth 2.4 GHz trong phạm vi bán kính 10 mét (ở điều kiện địa hình thông thoáng).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 09/03/2020 đến ngày 04/08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển và truyền thông không dây tầm ngắn:

  • Lý thuyết mạch giảm áp AC/AC bằng phương pháp PWM: Khác với việc cắt góc pha truyền thống, mạch giảm áp AC/AC điều khiển tỷ số chu kỳ xung $D$ ($0 \le D \le 1$) tại tần số đóng cắt cao ($f = 16\text{ kHz}$) để điều chỉnh giá trị điện áp hiệu dụng đặt lên động cơ quạt một cách liên tục mà vẫn duy trì dạng sóng dòng điện tiệm cận hình sin.
  • Khóa bán dẫn công suất IGBT 25N120: Với nguồn vào lưới điện 220VAC (điện áp đỉnh $310\text{ V}$) và đặc tính tải cảm có sức điện động phản kháng $(V_{DS} > 310\text{ V} + V_L)$, linh kiện phải chịu được điện áp đánh thủng danh định $1200\text{ V}$, dòng tải định mức lớn hơn dòng khởi động $2\text{ A}$ và hỗ trợ tần số đóng cắt $16\text{ kHz}$.
  • IC cách ly quang TLP250: Đóng vai trò làm tầng lái cổng (gate driver) đẩy-kéo cho IGBT với dải điện áp kích $\pm 12\text{ VDC}$, tần số đóng cắt hỗ trợ tối đa $25\text{ kHz}$, giúp cách ly hoàn toàn phần mạch logic điều khiển khỏi xung nhiễu và nguy cơ quá áp từ mạch công suất 220VAC.
  • Vi điều khiển ATmega328 (Arduino Uno R3): Đảm nhiệm việc tạo xung PWM tần số cao, xử lý giải thuật đọc tín hiệu 2 pha của Encoder KY-040, giao tiếp UART ảo qua các chân ngắt kỹ thuật số và giao tiếp I2C hiển thị màn hình LCD 16x2.
  • Chuẩn giao tiếp không dây Bluetooth & UART: Module HC-05 hoạt động ở dải tần 2.4 GHz ISM, hỗ trợ chế độ SLAVE với tốc độ baud mặc định 9600 bps, mã PIN ghép nối 1234, kết nối với vi điều khiển bằng cổng UART ảo.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Đo đạc trực tiếp các thông số ký sinh của động cơ quạt thực tế bằng thiết bị đo chuyên dụng, ghi nhận điện trở cuộn dây $R_{quạt} = 515,4,\Omega$ và độ tự cảm $L_{quạt} = 704,2\text{ mH}$.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch: Tính toán thông số mạch lọc, độ gợn dòng điện $\Delta i_L$, độ gợn điện áp $\Delta V_{ngõ ra}$ và điện trở hạn dòng LED quang của TLP250.
  • Phương pháp chế tạo phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) 1 lớp kích thước $17\text{ cm} \times 11\text{ cm}$, thực hiện ủi mạch, ăn mòn hóa chất, khoan lỗ, hàn lắp linh kiện và kiểm tra thông mạch.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Lập trình mã nguồn điều khiển nhúng trên môi trường Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++) và lập trình ứng dụng giao diện người dùng trên Android Studio (nền tảng Java/Android SDK).

Thiết kế và thi công hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 7 khối chức năng chính: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm (Arduino Uno R3), Khối công suất (IGBT và TLP250), Khối điều khiển tại chỗ (Encoder KY-040), Khối hiển thị (LCD 16x2 kèm mạch I2C), Khối giao tiếp (Module Bluetooth HC-05) và Ứng dụng điều khiển trên điện thoại Android.

       [Ứng dụng Android] 
                     (Arduino Uno R3)         (9V-1A & ±12V)
       [Khối hiển thị]               [Khối công suất]
      (LCD 16x2 + I2C)              (TLP250 + IGBT 25N120)
                                     [Động cơ quạt]

1. Tính toán thông số điện và lựa chọn linh kiện

  • Mạch công suất và mạch lọc: Tổng độ tự cảm của hệ thống gồm cuộn cảm trên bo mạch ($L_{mạch} = 2\text{ mH}$) mắc nối tiếp với cuộn cảm động cơ ($L_{quạt} = 704,2\text{ mH}$), cho tổng độ tự cảm $L = 706,2\text{ mH}$. Với tần số điều chế $f = 16\text{ kHz}$ và hệ số điều chế $D = 0,5$, tỉ lệ gợn sóng dòng điện ngõ ra tính toán lý thuyết đạt mức:

$$\frac{\Delta i_L(t)}{i_L(t)} = \frac{(1 - D) \cdot R}{L \cdot f} = \frac{(1 - 0,5) \times 515,4}{706,2 \times 10^{-3} \times 16 \times 10^3} \approx 2,28%$$

  • Mạch cách ly và lái công suất: Sử dụng 2 IC TLP250 điều khiển độc lập cho các nhánh IGBT, bổ sung các diode MUR1100E ($1\text{ A} - 1000\text{ V}$) để chống xung ngược bảo vệ IC khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Tụ cao áp $100\text{ nF} - 1000\text{ V}$ và điện trở công suất $470,\Omega - 10\text{ W}$ được bố trí để dập xung gai điện áp sinh ra do thời gian chết (dead-time) của quá trình đóng ngắt van.
  • Khối nguồn cung cấp: Nguồn logic 5V cấp cho Arduino và các module ngoại vi tiêu thụ tổng dòng điện $361\text{ mA}$ (gồm Arduino Uno R3: $270\text{ mA}$, LCD 16x2: $60\text{ mA}$, HC-05: $30\text{ mA}$, Encoder KY-040: $1\text{ mA}$), sử dụng một adapter chuyển đổi 220VAC sang 9VDC - 1A cấp vào chân Vin của Arduino. Khối lái IGBT sử dụng một bộ nguồn adapter đôi đối xứng $\pm 12\text{ VDC} - 1\text{ A}$.
STT Tên linh kiện Thông số kỹ thuật Số lượng
1 IGBT 25N120 $1200\text{ V} - 25\text{ A}$ 4
2 IC cách ly TLP250 DIP-8, tần số cắt $< 25\text{ kHz}$ 2
3 Diode MUR1100E $1\text{ A} - 1000\text{ V}$ 4
4 Cuộn cảm lọc $2\text{ mH}$ 1
5 Tụ Film Polyester $330\text{ nF} - 400\text{ V}$ 1
6 Tụ cao áp $100\text{ nF} - 1000\text{ V}$ 1
7 Tụ gốm 104 $100\text{ nF} - 50\text{ V}$ 7
8 Điện trở công suất $470,\Omega - 10\text{ W}$ 1
9 Điện trở hạn dòng $330,\Omega - 0,25\text{ W}$ 2
10 Board vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328) 1
11 Module Bluetooth HC-05 (UART, 2.4 GHz) 1
12 Module hiển thị LCD 16x2 + Module chuyển I2C 1
13 Module Encoder KY-040 (20 xung/vòng, 5VDC) 1
14 Bo mạch in PCB Phíp đồng 1 lớp, $17\text{ cm} \times 11\text{ cm}$ 1

2. Thi công phần cứng và đóng gói mô hình

Bo mạch công suất PCB 1 lớp được lắp ráp hoàn chỉnh kèm cánh nhôm tản nhiệt kích thước $25 \times 23 \times 16\text{ mm}$ cho từng IGBT. Toàn bộ bo mạch công suất và module nguồn được đặt ẩn bên trong hộp đế quạt. Các thành phần giao tiếp người dùng gồm màn hình LCD 16x2, núm xoay Encoder KY-040 và module HC-05 được khoét gắn cố định trên mặt trên đế quạt, thay thế hoàn toàn hàng nút bấm cơ học cũ.

3. Xây dựng giải thuật và phần mềm

  • Giải thuật Arduino: Hệ thống khởi tạo tần số PWM $16\text{ kHz}$, xóa màn hình LCD và cấu hình UART ảo trên chân 2 (RX) và chân 3 (TX). Khi nhận tín hiệu xoay từ Encoder hoặc lệnh từ Bluetooth, vi điều khiển tính toán lại độ rộng xung $D$, cập nhật ngõ ra kích IGBT, đồng thời xuất dữ liệu cấp tốc độ lên LCD và phản hồi trạng thái ngược về điện thoại. Nếu nhấn giữ núm xoay hơn 1 giây, hệ thống sẽ đảo trạng thái Bật/Tắt quạt.
  • Ứng dụng Android: Ứng dụng hỗ trợ quét thiết bị Bluetooth, nhập mã PIN ghép nối và mở giao diện điều khiển gồm thanh trượt (slider) tốc độ, 5 nút bấm chức năng (Bật, Tắt, Tăng cấp, Giảm cấp, Ngắt kết nối) và khung hiển thị trạng thái hoạt động theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa và nâng cao hiệu quả năng lượng cho các thiết bị điện gia dụng, tập trung vào quạt máy xoay chiều. Tác giả phân tích các hạn chế kỹ thuật của phương pháp đổi cuộn số truyền thống (tốn kém dây đồng, tăng khối lượng lõi sắt, tổn hao nhiệt) và phương pháp điều khiển bằng TRIAC/SCR (méo hài dòng điện cao, gây rung giật cơ khí làm hỏng bạc đạn). Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ quạt bằng mạch giảm áp xoay chiều PWM kết hợp vi điều khiển Arduino và ứng dụng Android, xác lập giới hạn công suất quạt từ 30W đến 60W trong phạm vi giao tiếp Bluetooth 10 mét.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện, module được sử dụng trong đề tài:

  • Khảo sát board vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328), phân tích ưu điểm tự ngắt bảo vệ nguồn so với Arduino Nano và tính kinh tế so với Arduino Mega.
  • Khảo sát module Bluetooth HC-05 (dải tần 2.4 GHz ISM, hỗ trợ hai chế độ Master/Slave, giao tiếp nối tiếp UART).
  • Khảo sát màn hình LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển đổi I2C (giúp tiết kiệm chân vi điều khiển, chỉ sử dụng 2 chân SDA và SCL).
  • Khảo sát cấu tạo và nguyên lý đếm xung pha A-B lệch $90^\circ$ của bộ mã hóa vòng quay Encoder KY-040 (độ phân giải 20 xung/vòng).
  • Phân tích nguyên lý kích đóng ngắt của IC cách ly quang TLP250 và đặc tính chịu áp, chịu dòng cao của transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT 25N120.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán phần cứng cho từng khối chức năng:

  • Lập sơ đồ khối tổng thể hệ thống gồm 7 khối.
  • Đo đạc thực nghiệm các thông số cơ bản của quạt ($R_{quạt} = 515,4,\Omega$; $L_{quạt} = 704,2\text{ mH}$).
  • Tính toán mạch giảm áp xoay chiều AC/AC sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM tần số $16\text{ kHz}$. Tại hệ số điều chế $D = 0,5$, tỉ lệ gợn sóng dòng điện đạt $2,28%$.
  • Tính toán điện trở hạn dòng LED quang trong IC TLP250 và bố trí mạng diode MUR1100E bảo vệ ngắn mạch.
  • Tính toán công suất tiêu thụ của khối điều khiển ($361\text{ mA}$ ở mức 5V), từ đó lựa chọn nguồn adapter 9V-1A cho mạch xử lý và adapter đối xứng $\pm 12\text{ VDC} - 1\text{ A}$ cho mạch kích cổng IGBT.
  • Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch kết nối đồng bộ giữa Arduino, TLP250, IGBT, HC-05, LCD I2C và Encoder KY-040.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình hiện thực hóa mô hình thực tế:

  • Thiết kế mạch in PCB 1 lớp kích thước $17\text{ cm} \times 11\text{ cm}$, lập danh mục thống kê 17 loại linh kiện và vật tư.
  • Quy trình hàn lắp, kiểm tra thông mạch, kiểm tra chạm chập chân nguồn và đo kiểm dạng sóng kích ngõ ra từ TLP250 trước khi đóng điện 220VAC.
  • Đóng gói khối công suất và các module nguồn vào bên trong đế quạt; gắn cố định LCD 16x2, Encoder KY-040 và HC-05 lên bề mặt quạt.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình điều khiển Arduino Uno R3 và lưu đồ kết nối, truyền nhận dữ liệu trên ứng dụng điện thoại Android bằng công cụ Android Studio.

Chương 5. Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả đo kiểm thực nghiệm trên mô hình hoàn thiện:

  • Đo kiểm dạng sóng điện áp ngõ ra, dòng điện ngõ ra và xung kích cổng IGBT tương ứng với các cấp tốc độ vận hành (cấp số 25, 50, 75, 80 và 100).
  • Đo đạc dạng sóng dòng điện qua điện trở mẫu $R = 100,\Omega$ ghi nhận dạng sóng tiệm cận hình sin, không bị biến dạng răng cưa hay gián đoạn góc pha như mạch dùng TRIAC.
  • Phân tích phổ sóng hài và chỉ số méo hài tổng THD tại cấp số 75 và cấp số 100, xác nhận bộ điều khiển giảm thiểu đáng kể méo hài điện áp so với phương pháp cắt pha truyền thống.
  • Thử nghiệm chức năng điều khiển kép: quạt phản hồi chính xác tín hiệu vặn/nhấn núm xoay Encoder KY-040 và tín hiệu kéo thanh trượt từ ứng dụng Android qua Bluetooth.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án, khẳng định hệ thống đã giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển nhiều cấp tốc độ động cơ quạt mà không cần cuộn kháng và không gây ô nhiễm lưới điện. Tác giả đồng thời chỉ rõ các điểm còn hạn chế của mô hình và đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình quạt máy thông minh tích hợp trọn vẹn bo mạch điều khiển công suất PWM AC/AC trong phần đế quạt tiêu chuẩn.
  • Mạch công suất IGBT 25N120 kết hợp IC lái TLP250 hoạt động ổn định ở tần số đóng cắt $16\text{ kHz}$ trên lưới điện 220VAC, tải quạt $30\text{ W} - 60\text{ W}$.
  • Dạng sóng dòng điện ngõ ra đạt độ trơn hình sin tốt với độ gợn sóng dòng điện tính toán lý thuyết chỉ $2,28%$ tại $D = 0,5$.
  • Hệ thống hỗ trợ điều khiển đa cấp tốc độ linh hoạt (từ 0 đến 100 mức), vượt trội so với mức cố định 3 cấp tốc độ của quạt cơ truyền thống.
  • Thực hiện điều khiển hai chiều: điều khiển tại chỗ thông qua Encoder KY-040 (nhấn giữ 1 giây để bật/tắt, vặn xoay để đổi tốc độ) và điều khiển từ xa qua ứng dụng Android trong cự ly 10 mét qua Bluetooth HC-05.
  • Màn hình LCD 16x2 hiển thị giao diện chữ lớn trực quan thông tin trạng thái hoạt động và cấp tốc độ thực tế của quạt.

2. Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp về mặt giải pháp công nghệ: Đề xuất và hiện thực hóa thành công cấu trúc mạch giảm áp xoay chiều AC/AC sử dụng kỹ thuật điều chế xung PWM thay thế cho giải pháp điều khiển góc pha bằng TRIAC/SCR và phương pháp quấn cuộn số nối tiếp.
  • Đóng góp về mặt tiết kiệm vật tư và nâng cao tuổi thọ thiết bị: Loại bỏ hoàn toàn nhu cầu quấn các cuộn dây số trên động cơ quạt, giúp tiết kiệm khối lượng dây đồng và lõi thép stator trong sản xuất công nghiệp; loại bỏ sóng hài bậc cao giúp động cơ chạy êm, duy trì mô-men ổn định và kéo dài tuổi thọ bạc đạn.
  • Đóng góp về mặt tiện ích: Cung cấp giải pháp điều khiển quạt số hóa hiện đại, cho phép người dùng tinh chỉnh tốc độ gió mượt mà theo nhu cầu cá nhân qua smartphone.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Kích thước bo mạch PCB còn tương đối lớn ($17\text{ cm} \times 11\text{ cm}$) do thiết kế mạch in 1 lớp và sử dụng linh kiện cắm truyền thống (Through-Hole), đòi hỏi phải đi thêm các đường dây nối đồng phụ trên mạch.
  • Phạm vi kết nối không dây bị giới hạn trong khoảng 10 mét do sử dụng chuẩn Bluetooth tầm ngắn, chưa hỗ trợ kết nối và giám sát từ xa qua mạng diện rộng.
  • Hệ thống chưa được tích hợp các cảm biến môi trường để hỗ trợ chế độ vận hành tự động thông minh.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế lại bo mạch in theo chuẩn PCB 2 lớp hoặc đa lớp, chuyển đổi sang linh kiện dán bề mặt (SMD) để thu nhỏ tối đa kích thước bo mạch, thuận tiện tích hợp vào nhiều dòng quạt có không gian đế hẹp.
  • Thay thế hoặc nâng cấp module Bluetooth HC-05 bằng các vi điều khiển/module hỗ trợ Wifi như ESP8266 hoặc ESP32 để kết nối Internet, đưa quạt vào hệ sinh thái nhà thông minh (Smart Home) và điều khiển qua Internet/Server.
  • Tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm môi trường (như DHT11, DHT22) để quạt có khả năng tự động điều chỉnh cấp tốc độ gió phù hợp theo biến thiên nhiệt độ phòng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa đang thực hiện các đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp liên quan đến điện tử công suất hoặc thiết bị gia dụng thông minh.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch biến đổi AC/AC giảm áp dùng van IGBT và IC cách ly quang TLP250.
    • Kỹ thuật tạo và điều chế xung PWM tần số cao trên vi điều khiển ATmega328 (Arduino).
    • Giải thuật đọc tín hiệu 2 pha của bộ mã hóa vòng quay Encoder KY-040 bằng ngắt vi điều khiển.
    • Quy trình lập trình ứng dụng Android Studio giao tiếp nối tiếp với phần cứng qua Bluetooth HC-05.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn IGBT 25N120 cho mạch công suất thay vì MOSFET hay BJT?
Trả lời: Do mạch sử dụng nguồn vào 220VAC (điện áp đỉnh $310\text{ V}$) và tải động cơ quạt là tải thuần cảm sinh ra sức điện động phản kháng lớn ($V_{DS} > 310\text{ V} + V_L$), điện áp đánh thủng yêu cầu đối với van bán dẫn phải đạt khoảng $1200\text{ V}$, dòng tải khởi động khoảng $2\text{ A}$ và phải đáp ứng tần số đóng cắt $16\text{ kHz}$. Các linh kiện MOSFET hoặc BJT thông dụng ở cùng phân khúc không đáp ứng đồng thời được khả năng chịu áp cao và tần số đóng cắt này, do đó IGBT 25N120 ($1200\text{ V} - 25\text{ A}$) là lựa chọn tối ưu.

2. Module Bluetooth HC-05 kết nối với Arduino Uno R3 qua những chân nào và tại sao không dùng cổng UART phần cứng mặc định?
Trả lời: Module HC-05 được kết nối với Arduino qua 4 chân: VCC, GND, TXD và RXD, trong đó chân TX/RX của HC-05 được nối vào chân số 2 và chân số 3 của Arduino. Nhóm tác giả sử dụng thư viện phần mềm để tạo cổng UART ảo (chân 2 làm RX ảo, chân 3 làm TX ảo) nhằm giải phóng hai chân UART phần cứng mặc định (chân 0 - RX, chân 1 - TX), phục vụ cho việc nạp chương trình vi điều khiển và in dữ liệu debug lên Serial Monitor.

3. Tần số đóng cắt PWM và độ gợn dòng điện của mạch công suất được tính toán là bao nhiêu?
Trả lời: Mạch công suất hoạt động ở tần số đóng cắt PWM $f = 16\text{ kHz}$. Dựa trên thông số thực nghiệm của động cơ quạt ($R = 515,4,\Omega$, $L = 704,2\text{ mH}$) và cuộn cảm bo mạch ($2\text{ mH}$), tỉ lệ gợn sóng dòng điện ngõ ra tính toán tại hệ số điều chế $D = 0,5$ đạt mức xấp xỉ $2,28%$.

4. Người dùng có thể điều khiển quạt tại chỗ bằng cách nào nếu không sử dụng điện thoại?
Trả lời: Người dùng có thể thao tác trực tiếp trên quạt thông qua núm xoay của module Encoder KY-040 gắn trên đế quạt: nhấn giữ núm xoay trên 1 giây để Bật hoặc Tắt quạt; khi quạt đang bật, xoay núm theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại để tăng/giảm cấp tốc độ. Cấp tốc độ và trạng thái quạt sẽ hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD 16x2.

5. Tổng dòng tiêu thụ của khối điều khiển logic là bao nhiêu và hệ thống sử dụng nguồn cấp như thế nào?
Trả lời: Tổng dòng tiêu thụ của các module logic ở điện áp 5V là $361\text{ mA}$ (gồm Arduino: $270\text{ mA}$, LCD 16x2: $60\text{ mA}$, HC-05: $30\text{ mA}$, Encoder KY-040: $1\text{ mA}$). Hệ thống sử dụng một bộ adapter 9VDC - 1A cấp nguồn vào chân Vin của Arduino (sau đó hạ áp xuống 5V nuôi các module) và một bộ adapter nguồn đôi đối xứng $\pm 12\text{ VDC} - 1\text{ A}$ chuyên dụng để cấp nguồn kích đóng ngắt cổng IGBT qua IC TLP250.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển tốc độ động cơ của quạt máy thông qua ứng dụng điện thoại Android" đã nghiên cứu và ứng dụng thành công kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) tần số $16\text{ kHz}$ trên cấu trúc mạch giảm áp xoay chiều AC/AC sử dụng IGBT 25N120 và TLP250. Giải pháp này khắc phục hiệu quả các nhược điểm của quạt truyền thống, giúp loại bỏ các cuộn số tiêu tốn vật liệu đồng và hạn chế tình trạng méo hài dòng điện thường gặp ở các bộ điều khiển TRIAC. Hệ thống được thi công phần cứng hoàn chỉnh, hỗ trợ linh hoạt cả hai phương thức điều khiển tại chỗ bằng Encoder KY-040 và điều khiển từ xa qua ứng dụng Android thông qua kết nối Bluetooth.