Bài giảng Điện tử công nghiệp, Nguyễn Thanh Phương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ o0o Tháng 01 – 2005 LƯU HÀNH NỘI BỘ Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng CHƯƠNG I: KHÓA ĐÓNG NGẮT VÀ ỨNG DỤNG Thiết bị đóng ngắt phần tử điều khiển dùng để đóng ngắt mạch điện tín hiệu vào lực hay tín hiệu điện Ta phân loại thiết bị đóg ngắt sau: - Thiết bị đóng ngắt học (Khóa cơ) - Thiết bị đóng ngắt điện từ (Relay) - Thiết bị đóng ngắt điện tử (Khoá bán dẫn) I KHOÁ CƠ: Khóa thiết bị đóng ngắt mạch điện lực học Khoá gồm phần: - Phần tác động học - Phần tiếp điểm Công Tắc Panel: a Công tắc Panel: Công tắc panel loại công tắc dùng để lắp đặt bảng điều khiển máy tác động trực tiếp tay Cực nối dây Phần tiếp điểm Phần tác động học Hình 1.1 Cấu tạo công tắc panel b Phân loại: Tuỳ vào cấu tạo phần tiếp điểm, người ta chia công tắc panel thành loại: - Công tắc đơn cực đường dẫn (SPST): Là công tắc mà dòng điện chảy qua tác động (Công tắc thường hở) ngắt dòng điện tác động (Công tắc thường đóng) hình 1.2 trình bày cấu tạo công tắc đơn cực đường dẫn NO: Công tắc thường hở NC: Công tắc thường đóng Hình 1.2 Công tắc đơn cực đường dẫn - Công tắc đơn cực hai đường dẫn (SPDT): Là loại công tắc chuyển dòng điện chảy qua từ tuyến sang tuyến khác Hình 1.3 trình bày cấu tạo công tắc đơn cực đường dẫn NC C NO Hình 1.3 Công tắc đơn cực đường dẫn - Khoá đơn cực đường dẫn với vị trí OFF: Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng NC OFF NO C Hình 1.4 Công tắc đơn cực đường dẫn với vị trí OFF - Khoá cực đường dẫn (DPST): Gồn khoá SPST chịu tác động Hình 1.5 mô tả công tắc DPST C NO C NO Hình 1.5 Công tắc cực đường dẫn - Khoá cực đường dẫn (DPDT): Có cấu tạo gồm khoá SPDT chịu tác động Hình 1.6 trình bày cấu tạo khoá DPDT NC C NO NC C NO Hình 1.6 Công tắc cực đường dẫn Tuỳ vào phương thức tác động, người ta phân công tắc thành loại: - Nút nhấn: Là loại công tắc có phần tác động học tác động theo phương thức dùng tay nhấn Đối với công tắc dạng này, dòng điện chảy Hình 1.7 Một số dạng nút nhấn - Công tắc xoay: Là loại công tắc tác động theo phương thức dùng tay xoay Hình 1.8 Một số dạng công tắc xoay c Ứng dụng công tắc panel: Công tắc Panel dùng để lắp đặt panel điều khiển máy để tạo tín hiệu điều khiển như: Start, Stop, đổi chiều quay động cơ, dừng khẩn cấp, chuyển chế độ làm việc cho máy … Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng Công Tắc Hành Trình: a Cấu tạo công tắc hành trình: Công tắc hành trình có cấu tạo hình 1.9 Trục truyền lực Cơ cấu tác động kiểu Lò xo NC Vỏ NO C Hình 1.9 Cấu tạo công tắc hành trình Hình 1.10 Một số dạng công tắc hành trình b Ứng dụng công tắc hành trình: Công tắc hành trình dùng để phát xuất vật theo phương thức tiếp xúc vị trí đặt cảm biến phát điểm đầu điểm cuối hành trình vật Ví dụ: Phát cabin thang máy tầng, phát hành trình đầu cuối xylanh… II KHÓA ĐIỆN TỪ (RELAY): Relay khí cụ điện phát mức lượng mạch điện đầu vào điều khiển chuyển mạch mạch điện ngõ Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Relay: Relay có cấu tạo gồm cuộn dây dùng để tạo lực điện từ hệ thống tiếp điểm NC Tiếp điểm Coil Cuộn Vỏ a Cấu tạo relay bạng lề Lõi Ferite Cuộn dây b Cấu tạo dạng Pittong Hình 2.1 Cấu tạo Relay NC NO Tiếp điểm Coil NO NO COM Lò xo Vỏ NC Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng Khi cuộn dây Relay cấp điện sinh lực điện từ tác động lên hệ thống tiếp điểm động thay đổi trạng thái tiếp điểm Hình 2.2 Một số dạng relay Ký Hiệu Của Relay: - Ký hiệu mạch điện: K1 11 13 16 Relay daïng pittong Relay dạng lề Hình 2.3 Ký hiệu relay mạch điện - Ký hiệu giản đồ ladder: Cuộn dây Tiếp điểm thường hở NO Tiếp điểm thường đóng NC Hình 2.4 Ký hiệu relay giản đồ ladder Ứng Dụng Của Relay: Relay dùng làm thiết bị đóng ngắt mạch điện hệ thống điều khiển On – Off III KHOÁ ĐIỆN TỬ: Diode Công Suất: a Cấu tạo: P P - + q -α α N Anốt N d Katốt a) Cấu tao diode b) Ký hiệu diode Hình Cấu tạo ký hiệu diode Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng Diode công suất linh kiện bán dẫn có hai cực, cấu tạo lớp bán dẫn N lớp bán dẫn P ghép lại Silic nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV bảng hệ thống tuần hoàn Silic có điện tử thuộc lớp cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp có điện tử điện tử nguyên tố tham gia liên kết với điện tử tự Silic xuất điện tử tự Trong cấu trúc tinh thể, điện tử tự làm tăng tính dẫn điện Do điện tử có điện tích âm nên chất gọi chất bán dẫn loại N (negative), có nghóa âm Nếu thêm vào Silic nguyên tố thuộc nhóm III mà có nguyên tử thuộc nhóm xuất lổ trống cấu trúc tinh thể Lỗ trống nhận điện tử, tạo nên điện tích dương làm tăng tính dẫn điện Chất gọi chất bán dẫn loại P (positive), có nghóa dương Trong chất bán dẫn loại N điện tử hạt mang điện đa số, lỗ trống thiểu số Với chất bán dẫn loại P ngược lại Ở hai lớp bán dẫn mặt ghép PN Tại xảy tượng khuếch tán Các lỗ trống bán dẫn loại P tràn sang N nơi có lỗ trống Các điện tử bán dẫn loại N chạy sang P nơi có điện tử Kết mặt tiếp giáp phía P nghèo diện tích dương giàu lên điện tích âm Còn phía bán dẫn loại N ngược lại nên gọi vùng điện tích không gian dương Trong vùng chuyển tiếp (-α,α) hình thành điện trường nội Ký hiệu Ei có chiều từ N sang P hay gọi barie điện (khoảng từ 0,6V đến 0,7V vật liệu Silic) Điện trường ngăn cản di chuyển điện tích đa số làm dễ dàng cho di chuyển điện tích thiểu số (điện tử vùng P lổ trống vùng N) Sự di chuyển điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò b Nguyên lý hoạt động: E Ei i P N + P U - N U - + (a) (b) a) Phân cực thuận diode b) Phân cực ngược diode Hình 3.2 Phân cực cho diode Khi đặt diode công suất điện áp nguồn U có cực tính hình vẽ, chiều điện trường ngược chiều với điện trường nội Ei Thông thường U > Ei có dòng điện chạy mạch, tạo nên điện áp rơi diode khoảng 0,7V dòng điện định mức Vậy phân cực thuận hạ thấp barie điện Ta nói mặt ghép PN phân cực thuận Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường tác động chiều với điện trường nội Ei Điện trường tổng hợp cản trở di chuyển điện Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng tích đa số Các điện tử vùng N di chuyển thẳng cực dương nguồn U làm cho điện vùng N vốn cao lại cao so với vùng P Vì vùng chuyển tiếp lại rộng ra, dòng điện chạy qua mặt ghép PN Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngược Nếu tiếp tục tăng U đến giá trị ngưỡng Uz, điện tích gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm barie điện bị đánh thủng Đặc tính volt-ampe diode công suất biểu diễn gần biểu thức sau:   eU I = I s  e kT − 1   (3.1) Trong đó: IS : Dòng điện rò, khoảng vài chuïc mA, e = 1,59.10- 19 Coulomb, k = 1,38.10- 23 số Bolzmann, T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K), t0 : Nhiệt độ môi trường (0 C), U điện áp đặt diode (V) I U UZ Uγ Hình 3.3 Đặc tính volt-ampe diode Đặc tính volt-ampe diode gồm có hai nhánh:Nhánh thuận, nhánh ngược Khi diode phân cực thuận điện áp U barie điện Ei giảm xuống gần Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ U lớn khoảng 0,7 [V] I tăng cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ Tương tự, phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược tăng từ từ Khi U lớn khoảng 0,7 [V], dòng điện ngược dừng lại giá trị vài chục mA ký hiệu IS Dòng IS di chuyển điện tích thiểu số tạo nên Nếu tiếp tục tăng U điện tích thiểu số di chuyển dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động chúng tăng lên Khi U  = UZ thì va chạm điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao bẻ gảy liên kết nguyên tử Silic vùng chuyển tiếp xuất điện tử tự Rồi điện tích tự chịu tăng tốc điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá nguyên tử Silic Kết tạo phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ạt phá hỏng diode Do đó, để bảo vệ diode người ta cho chúng hoạt động với giá trị điện áp: U = (0,7 → 0,8)UZ Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu vùng chuyển tiếp Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép 2000C Vượt nhiệt độ diode bị phá hỏng Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước dầu biến chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện Các thông số kỹ thuật để chọn diode làø: Dòng điện định mức Iđm (A), điện áp ngược cực đại Uz ( V ), Điện áp rơi diode ∆U ( V ) Một số dạng diode: Hình 3.4 Một số dạng diode c Các tính chất động học: Trong trình độ diode, trình chuyển diode từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt có ý nghóa quan trọng Hiện tượng gọi ngắt hay chuyển mạch diode Khi dòng điện qua diode tắt nhanh (khoảng 10A/µs), trình ngắt không diễn đặc tuyến V-A, trình ngắt diode hình 3.5 I trr Is IrrM Hình 3.5 Quá trình chuyển mạch diode Sau dòng điện I giảm 0, dòng qua diode không tắt mà tiếp tực dẫn theo chiều ngược tới giá trị IrrM , sau thời gian ngắt trr, khả dẫn theo chiều ngược bị mất, dòng điện qua diode giảm đột ngột giá trị dòng điện ngược Is Hệ trình công suất tổn hao chuyển mạch lớn Giá trị tức thời công suất tổn hao tính tích số điện áp dòng điện qua diode chuyển mạch Transistor Công Suất: a Cấu tạo: Transistor linh kiện bán dẫn gồm lớp: PNP hay NPN C N P N E E P N P B b – Cấu tạo transistor PNP E B B a – Cấu tạo transistor NPN C B E c – Ký hiệu transistor NPN C d – Ký hiệu transistor PNP Hình 3.6 Cấu tạo ký hiệu transistor công suất C Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng Về mặt vật lý, transistor gồm phần: phần phát, phần phần thu Vùng (B) mỏng Hình 3.7 Một số dạng transistor công suất b Nguyên lý hoạt động: Emiter E N C p • •• pP • • Colector N • E C • IE • Base IE RE + - UEE IC + UCC RC Hình 3.8 Sơ đồ phân cực transistor Điện UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết điện tử (electron) sau qua vùng B qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron giữ lại vùng B Các lỗ trống vùng di chuyển vào vùng phát Mối nối B - E chế độ phân cực thuận diode, có điện kháng nhỏ điện áp rơi nhỏ mối nối B - C phân cực ngược điện áp UCC Bản chất mối nối B - C giống diode phân cực ngược điện kháng mối nối B - C lớn Dòng điện đo vùng phát gọi dòng phát IE Dòng điện đo mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC đơn vị thời gian dòng cực thu IC) Dòng IC gồm hai thành phần: - Thành phần thứ (thành phần chính) tỉ lệ hạt electron cực phát tới cực thu Tỉ lệ phụ thuộc vào cấu trúc transistor số tính trước transistor riêng biệt Hằng số định nghóa α Vậy thành phần dòng IC αIE Thông thường α = 0,9 → 0,999 - Thành phần thứ hai dòng qua mối nối B - C chế độ phân cực ngược lại IE = Dòng gọi dòng ICBO – nhỏ - Vậy dòng qua cực thu: IC = αIE + ICBO c Đặc tuyến V- A transistor: Đặc truyến V – A transistor mắc Emitter chung hình 3.9 Đặc tuyến V-A transistor chia làm vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại vùng bão hoà Chương I: Các khoá đóng ngắt ứng dụng Ic Vcc/R VCE = Vcc – R.Ic Vùng bão hoà IB3 > IB2 IB2 > IB1 Đường tải tónh Vùng khuếch đại IB1 >0 IB = Vcc Vùng cấm VCE Hình 3.9 Đặc tuyến V – A mạch Emitter chung Trong ứng dụng điện tử công suất lớn, người ta phân cực cho transistor vùng bão hoà (IB lớn) vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho transistor vùng khuếch đại Các thông số transistor công suất: IC: Dòng colector mà transistor chịu được, UCesat điện áp UCE transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE mạch bazơ để hở, IB = 0, UCEX điện áp UCE bazơ bị khóa điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ≈ 0, tf: Thời gian cần thiết để iC từ giá trị IC giảm xuống 0, tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên transistor Công suất tiêu tán bên transistor tính theo công thức: P = UBE.IB + UCE.IC - Khi transistor trạng thái ngắt: IB = 0, IC = neân P = - Khi transistor trạng thái dẫn: UCE = UCESat Các tổn hao chuyển mạch transistor lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp cực dòng điện transistor lớn Tích dòng điện điện áp với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao lượng lần chuyển mạch Công suất tổn hao xác chuyển mạch hàm số thông số mạch phụ tải dạng biến thiên dòng điện gốc d Tính chất động transistor: Việc khảo sát tượng độ đóng ngắt transistor có ý nghóa quan trọng Quá trình dòng colector kích dạng xung vuông cho transistor hình 3.10 IB t IC tON tOFF t Hình 3.10 Đáp ứng transistor kích tín hiệu xung vuông ... hoàn Silic có điện tử thuộc lớp cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp có điện tử điện tử nguyên tố tham gia liên kết với điện tử tự Silic xuất điện tử tự Trong... điểm dùng khoá điện tử so với khoá điện từ khoá khoá điện tử không sinh hồ quang đóng ngắt tần số đóng ngắt cao Đặc biệt, khoá điện tử dùng để làm biến đổi công suất để tạo dạng nguồn công suất lớn... này, dòng điện chảy Hình 1.7 Một số dạng nút nhấn - Công tắc xoay: Là loại công tắc tác động theo phương thức dùng tay xoay Hình 1.8 Một số dạng công tắc xoay c Ứng dụng công tắc panel: Công tắc