CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Trị trung bình (Average)
Xét một đồ thị sóng tín hiệu Sin như sau :
+ Vp : điện áp tức thời lớn nhất được tính từ điểm gốc 0 đến biên độ dương +Vp Như hình trên thì là 0->+Vp
Vpp là điện áp được tính giữa đỉnh dương và đỉnh âm của dạng sóng, biểu thị tổng điện áp giữa hai mức dương và âm so với điểm 0 Công thức tính Vpp là Vpp = (-Vp->0) + (0->+Vp) Trong trường hợp tín hiệu sóng không có mức âm, giá trị Vp sẽ bằng Vpp.
Vavg là mức điện áp trung bình của dạng sóng, được xác định là mức điện áp phân bố đều trong một chu kỳ Đối với sóng sin, điện áp trung bình ở miền dương và miền âm là bằng nhau.
Vrms, viết tắt của Root Mean Square, là căn bậc hai của trung bình các bình phương Trong thực tế, giá trị này thường được gọi là giá trị hiệu dụng hoặc giá trị thực.
1.2 Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms):
Giá trị hiệu dụng RMS là 0.707 lần so với giá trị max (giá trị cực đại) hay giá trị cực đại bằng √2 = 1.414 nhân với giá trị hiệu dụng
Giá trị cực đại của dòng điện hiệu dụng 1A là 1,414A, trong khi giá trị trung bình chỉ đạt 0,636 lần giá trị cực đại, tương đương với 0,9 lần giá trị hiệu dụng Điều này đặc biệt đúng đối với dạng sóng hình sin.
Với dạng sóng hình sin có giá trị hiệu dụng là 1A, ta sẽ có được công thức:
3 Đối với dạng sóng không hình sin
Trong trường hợp, giá trị hiệu dụng bằng 1A, dạng sóng không hình sin ta có :
Công suất trung bình
(Power Factor – ký hiệu là hay PF): là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải
Khi nguồn áp có dạng sin và tải tuyến tính bao gồm các phần tử R, L, C với giá trị không đổi, dòng điện qua tải cũng sẽ có dạng sin và lệch pha với điện áp một góc là .
Ta có biểu thức tính hệ số công suất như sau:
Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải m: là tổng số pha
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Phân loại linh kiện điện tử công suất
- Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó
- Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không)
- Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn
Các linh kiện bán dẫn có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái: dẫn điện và không dẫn điện, thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển Những linh kiện này được gọi là linh kiện có điều khiển, và tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hoặc ánh sáng với công suất thấp hơn nhiều so với công suất của nguồn và tải.
Linh kiện không điều khiển được là những linh kiện không có cổng điều khiển, và quá trình chuyển trạng thái làm việc của chúng diễn ra dưới tác động của nguồn công suất ở ngõ ra.
Các linh kiện điều khiển có thể chia thành hai loại: linh kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC) chỉ dẫn dòng điện mà không thể ngắt dòng, và linh kiện có khả năng kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT) có thể chuyển trạng thái từ đóng sang ngắt hoặc ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tại cổng điều khiển.
Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau :
- Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO.
Diode Công Suất
2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Hình H1.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b)
Diode được hình thành từ mối nối P-N, trong đó lớp N chứa nhiều điện tử, còn lớp P thiếu điện tử và có các lỗ trống mang điện Sự kết hợp này tạo ra một hàng rào điện thế khoảng 0,6 volt.
V a) phân cực thuận b) phân cực ngược
Hình H1.2: Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode
Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp
Khi diode hoạt động, điện tử di chuyển từ lớp N sang lớp P, trong khi các hạt mang điện di chuyển từ lớp P sang lớp N, tạo ra dòng điện qua diode Tuy nhiên, khi điện áp ngược được áp dụng (cực dương nối với lớp N và cực âm nối với lớp P), điện tử và lỗ trống bị kéo ra xa mối nối, dẫn đến chỉ một dòng điện rò nhỏ khoảng vài mA có thể chạy qua.
Khi điện áp ngược tăng cao, các điện tích gia tăng gia tốc, dẫn đến va chạm dây chuyền Hiện tượng này làm cho hàng rào điện thế bị chọc thủng, khiến diode mất khả năng dẫn điện theo một chiều và dẫn đến hỏng hóc.
Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K)
Đặc tính V – A thực tế và lý tưởng được thể hiện qua hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện nằm ở góc phần tư I, và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt nằm ở góc phần tư III, như minh họa trong hình H1.3 Cụ thể, hình H1.3a thể hiện đặc tính V – A thực tế, trong khi hình H1.3b đại diện cho đặc tính lý tưởng.
Giải thích các ký hiệu :
- U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V 0,6V tùy theo chất bán dẫn
UF: điện áp thuận của diode
- UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng)
- IF: dòng điện thuận chạy qua diode
Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện)
Ta xét với trường hợp diode lý tưởng :
Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt
Hình H2.4: Quá trình chuyển mạch của
Trong khoảng [ 0t 0 ] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận I F
0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0
1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại
2 : các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược
3 : dòng ngược giảm về 0 Qúa trình ngắt diode kết thúc
Thời gian phục hồi tính nghịch: t rr t 3 t 1 1s
Để bảo vệ diode công suất khỏi hiện tượng quá áp, ta cần mắc mạch lọc RC song song với diode Tuy nhiên, nhiều diode công suất hiện nay đã được tích hợp sẵn mạch RC.
2.2.6 Các đại lượng định mức của diode Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (U RM ) có thể lặp lại tuần hoàn trên diode
Dòng điện định mức (IFM) là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua diode mà không gây hỏng hóc Để nâng cao khả năng chịu tải, các diode có thể được ghép nối tiếp, trong khi để tăng khả năng chịu dòng tải, các diode thường được ghép song song.
Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.6
Hình H1.6: Một số diode trên thực tế
2.3 Transistor BJT (Bipolar Juntion Transistor)
2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Transistor được cấu tạo từ ba lớp, có thể là n-p-n hoặc p-n-p Trong đó, cấu trúc n-p-n thường được ưa chuộng hơn do kích thước nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất tương đương về điện áp và dòng điện.
Transistor là linh kiện điện tử có ba cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) Hoạt động của transistor được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E, trong khi mạch công suất kết nối giữa cực C và E.
Ký hiệu của transistor như trên hình H1.8
Hình H1.7: Nguyên lý cấu tạo của transistor
Hình H1.8: Ký hiệu của transistor
Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT đóng vai trò quan trọng như một công tắc để điều khiển việc đóng ngắt các mạch điện Loại transistor NPN thường được sử dụng và thường được kết nối theo dạng mạch với Emitter chung.
Điện áp điều khiển u BE giữa hai cực B và E đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng điện Các điện cực C và E hoạt động như công tắc để ngắt mạch công suất Để đạt được điện áp giữa hai cực C và E bằng không (uCE=0), điện áp điều khiển cần tạo ra dòng điện i B đủ lớn.
Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện i B
Hình H1.9: Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung
2.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H1.10a (đặc tính thực tế) và hình H1.10b (đặc tính lý tưởng) iC Vùng tích cực
Vùng bão hòa Đ iC Điểm làm việc Đóng
UCE=U- iB Vùng ngắt uCE
Đặc tính ngõ ra của mạch E thể hiện mối quan hệ giữa dòng ngõ ra iC và điện áp UCE, với dòng kích iB là thông số biến thiên Các đặc tính ngõ ra được vẽ cho nhiều giá trị khác nhau của iB Đường thẳng UCE = U - ICRC biểu diễn đặc tính tải, và giao điểm của đường này với các đặc tính ngõ ra sẽ xác định điểm làm việc của transistor.
Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng bảo hòa và vùng tích cực
Vùng nghịch: iB = 0, transistor ở trạng thái ngắt Dòng iC có giá trị nhỏ không đáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò
Vùng bảo hòa là khu vực được xác định bởi điện thế U CE = UCE(sat) tối thiểu có thể đạt được tương ứng với giá trị I C đã cho, cùng với vùng giới hạn bởi đường đặc tính.
Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên hình
H1.10a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt dòng điện
Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu
IB ≥ IB(sat) : BJT đóng
Với IB(sat) là dòng điện IB bảo hòa Để đơn giản, ta thường xét điều kiện đóng ngắt của transistor ở điều kiện lý tưởng
Quá trình dòng collector I C có dạng xung vuông như trên hình H1.11b Thời gian đúng t on kộo dài khoảng vài às, thời gian ngắt hơn 10às
Quá tình chuyển mạch Đóng g
Quá trình ngắt Quá trình đóng
Hình H2.11: Quá trình chuyển mạch của transistor
Quá trình chuyển mạch của transistor gây ra công suất tổn hao do việc đóng ngắt Công suất tổn hao này hạn chế tần số hoạt động của transistor, vì khi đóng ngắt, dòng điện qua transistor đạt giá trị lớn và điện áp cũng cao, dẫn đến công suất tổn hao tức thời trở nên lớn.
Quá trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí NGẮT sang vị trí ĐÓNG (hoặc ngược lại) được minh họa trong hình H1.11a và diễn ra trong khoảng thời gian t on hoặc t off.
TRIAC
TRIAC được cấu tạo bởi hai SCR mắc đối song (hình H1.32) Do đó linh kiện có thể dẫn điện theo cả hai chiều
Việc kích dẫn TRIAC được thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển
G điều kiện để TRIAC dẫn điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác không
Hình H1.32: Cấu tạo TRIAC(a) ký hiệu (b) và đặc tính V-A (c)
Giống như SCR, ta không thể điều khiển ngắt dòng điện qua TRIAC được Điều kiện ngắt dòng điện qua TRIAC giống như điều kiện ngắt SCR
2.7.2 Đặc tính V-A Đặc tính V-A của TRIAC tương tự như của SCR Do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều, đặc tính V-A của TRIAc có dạng đối xứng qua tâm góc tọa độ (hình H2.32c)
Việc kích đóng TRIAC có thể chia thành hai trường hợp:
Việc kích hoạt TRIAC diễn ra khi có dòng kích dương cho trường hợp dòng qua TRIAC dương và dòng kích âm khi dòng qua TRIAC âm Chiều dương được quy ước là chiều từ M1 đến M2, như thể hiện trong hình H1.32a.
Mạch kích cho TRIAC như trên hình H1.33 và hình dáng của một số TRIAC trên thực tế như trên hình H1.34
Hình H1.33: Một dạng mạch kích cho TRIAC
Hình H1.34: Một số hình dáng của TRIAC
2.8 Gate Turn off Thyristor GTO
GTO có cấu tạo như trên hình H1.35a Cũng giống như SCR, GTO được kích đóng bằng xung dòng điện đưa vào cổng G khi điện áp Anode -Cathode dương U AK
0 Tuy nhiên, GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng xung dòng đưa vào cổng
G có giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khoá bán dẫn a b c
Cấu trúc GTO (Hình H1.35(a)), sơ đồ tương đương (Hình H1.35(b)) và ký hiệu (Hình H1.35(c)) cho thấy điểm khác biệt quan trọng giữa GTO và SCR Cụ thể, xung dòng kích IG đưa vào cổng G của GTO cần được duy trì liên tục trong suốt thời gian GTO dẫn điện.
Mạch bảo vệ cho linh kiện GTO là rất cần thiết, vì quá trình ngắt của GTO yêu cầu sử dụng xung dòng kích với độ rộng đủ lớn, dẫn đến thời gian ngắt kéo dài Mạch bảo vệ này được minh họa trong hình H1.36, với tụ điện C có giá trị từ 2μF đến 6μF.
Mạch bảo vệ hạn chế quá áp khi ngắt GTO
Hình H1.36: Mạch bảo vệ GTO
Hình H1.37: Hình dáng thực tế
Hình dáng của một số GTO trên thực tế như trên hình H1.37
SSR, hay Rơ le bán dẫn, là thiết bị điện tử tương tự như Rơ le cơ khí, cho phép điều khiển tải tiêu thụ lớn bằng một dòng điện nhỏ.
Nó được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như máy CNC, hệ thống điều khiển từ xa, thiết bị tự động hóa công nghiệp, ngành công nghiệp hóa chất, thiết bị y tế và hệ thống an ninh.
2.9.1 Cấu tạo Rơ le bán dẫn SSR
Rơ le bán dẫn (SSR) có cấu trúc gọn nhẹ và đơn giản, không giống như các rơ le cơ khí như contactor hay relay kính, vì không có bộ phận chuyển động để đóng ngắt dòng điện Trong khi rơ le cơ khí phát ra tiếng động "tạch, tạch" và tia lửa điện khi hoạt động, thì SSR khắc phục những nhược điểm này Cấu tạo của SSR gồm Diot phát quang và bộ Tri-ac, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy hơn so với rơ le cơ khí thông thường.
2.9.2 Nguyên lý hoạt động của SSR là gì ?
Rơ le bán dẫn (SSR) hoạt động dựa trên nguyên lý chung là sử dụng một dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện tải lớn hơn Dù tín hiệu đầu vào có thể khác nhau, như biến trở, tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V hay tín hiệu relay từ bộ điều khiển, nhưng tất cả đều hướng tới việc kiểm soát tải hiệu quả và an toàn.
2.9.3 Các thông số quan trọng cần lưu ý:
Dòng điện điều khiển cần được cấp đúng mức; nếu quá lớn, rơ le có thể bị hỏng, trong khi dòng quá nhỏ có thể khiến rơ le không hoạt động Khi sử dụng LED hồng ngoại, cần chú ý không vượt quá điện áp cho phép để tránh làm hỏng LED trong rơ le bán dẫn Để bảo vệ, có thể thêm một trở hạn dòng nhằm kiểm soát mức điện áp an toàn.
Khi sử dụng rơ le bán dẫn, việc chú ý đến dòng chịu tải đầu ra là rất quan trọng Người dùng cần xác định rõ dòng chịu tải để kết nối với dòng điện một cách hợp lý, nếu không sẽ dẫn đến hỏng hóc rơ le.
Hiệu điện thế đầu ra là một thông số quan trọng không kém gì dòng chịu tải đầu ra Nếu hiệu điện thế đầu ra thấp mà kết nối với tải có hiệu điện thế lớn hơn nhiều, điều này có thể dẫn đến việc Rơ le bị hỏng.
Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp
Bảo vệ mạch với nhiệt độ nào ?
Nhiệt độ hoạt động rộng bao nhiêu ?
2.9.4 Đánh giá ưu, nhược điểm của SSR: Ưu điểm:
Không xảy ra hiện tượng tóe lửa như nhiều loại rơ le khác và không gây nhiễu, không gây ra tiếng ồn
Độ bền và tuổi thọ cao cũng là một ưu điểm của rơ le bán dẫn
Dòng điều khiển thấp mà có thể điều khiển được điện áp cao
Kích thước nhỏ gọn ra đóng gói
Khi làm việc ở công suất lớn thì Rơ le cần tản nhiệt
Đòi hỏi người sử dụng có hiểu biết về điện tử chuyên sâu
Nhiều khi gây méo tín hiệu
Có thể dò điện và chết chập
2.9.5 Ứng dụng của Rơ le bán dẫn:
Gia nhiệt nhà máy nhựa, bao bì nhựa, hạt nhựa;
Gia nhiệt hệ thống lò điện, lò nung mẫu, lò hơi điện, lò thí nghiệm,…
Nhà máy sản xuất bao bì PP, PE,…
Nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, đồ gia dụng,…
Sự khác nhau giữa SSR và Relay điện từ SCR:
Một số điểm khác nhau cơ bản của SSR và SCR là:
Relay điện từ có giá thành thấp hơn so với SSR, dễ sử dụng và cho phép chuyển đổi mạch nạp điều khiển bằng điện năng thấp Tuy nhiên, chúng có tốc độ xử lý chậm, dễ gây ra hiện tượng hồ quang gây nhiễu và phát ra tiếng ồn khi sử dụng lâu dài.
SSR là sự thay thế hiện đại cho SCR, khắc phục hiệu quả những hạn chế của SCR Việc tách điện giữa tín hiệu điều khiển đầu vào và điện áp tải đầu ra được thực hiện nhờ vào cảm biến ánh sáng Coupler.
SSR, hay relay điện tử, nổi bật với độ tin cậy cao, khả năng giảm nhiễu điện từ (EMI), không phát sinh phóng điện hồ quang và từ trường, cùng thời gian phản ứng nhanh hơn SCR Tuy nhiên, SSR có nhược điểm là sinh nhiệt nhiều hơn và tuổi thọ ngắn hơn so với SCR.
Công tắc điều khiển bán dẫn (SCS) là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc 3 lớp P-N-P-N, với bốn điện cực: cực âm C, cổng cực âm Gx, cổng cực dương G2 và cực dương A So với SCR, SCS là linh kiện bán dẫn năng lượng thấp, xử lý dòng điện mA thay vì A SCS có một cổng bổ sung tại cực anode, kích thước nhỏ hơn và có dòng rò cùng dòng giữ nhỏ hơn SCR, do đó yêu cầu tín hiệu kích hoạt nhỏ hơn Đặc biệt, SCS cung cấp các đặc điểm kích hoạt đồng đều hơn giữa các mẫu khác nhau.
SSR
SSR, hay Rơ le bán dẫn, là thiết bị điều khiển điện tử có khả năng thay thế cho rơ le cơ khí truyền thống Nó sử dụng một dòng điện nhỏ để điều khiển một tải tiêu thụ lớn hơn, mang lại hiệu suất cao và độ bền vượt trội.
Nó đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm máy CNC, hệ thống điều khiển từ xa, thiết bị tự động hóa công nghiệp, ngành công nghiệp hóa chất, thiết bị y tế và hệ thống an ninh.
2.9.1 Cấu tạo Rơ le bán dẫn SSR
Rơ le bán dẫn (SSR) có thiết kế gọn gàng và đơn giản, không có bộ phận chuyển động như các loại rơ le cơ khí như contactor hay relay kính Khác với rơ le cơ khí phát ra âm thanh "tạch, tạch" và tia lửa điện khi hoạt động, SSR khắc phục những nhược điểm này Cấu tạo của SSR bao gồm diot phát quang và bộ Tri-ac, mang lại hiệu suất hoạt động cao và độ tin cậy tốt hơn.
2.9.2 Nguyên lý hoạt động của SSR là gì ?
Rơ le bán dẫn (SSR) hoạt động dựa trên nguyên lý chung là sử dụng một dòng điện nhỏ để điều khiển một dòng điện tải lớn hơn Dù tín hiệu đầu vào khác nhau, như biến trở, tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V hay tín hiệu relay từ bộ điều khiển, tất cả đều cho phép kiểm soát hiệu quả các thiết bị điện có công suất lớn.
2.9.3 Các thông số quan trọng cần lưu ý:
Dòng điện điều khiển là yếu tố quan trọng trong hoạt động của rơ le, vì nếu cấp dòng điện quá lớn, rơ le có thể bị hỏng, trong khi cấp dòng quá nhỏ có thể khiến nó không hoạt động Đặc biệt, khi sử dụng LED hồng ngoại, cần lưu ý rằng điện áp vượt mức có thể gây chết LED trong rơ le bán dẫn Để hạn chế tình trạng này, có thể mắc thêm trở hạn dòng.
Khi sử dụng rơ le bán dẫn, việc chú ý đến dòng chịu tải đầu ra là rất quan trọng Chúng ta cần nắm rõ thông số này để kết nối với dòng điện một cách hợp lý, tránh tình trạng làm hỏng rơ le.
Hiệu điện thế đầu ra là một thông số quan trọng, tương tự như dòng chịu tải đầu ra Nếu hiệu điện thế thấp mà kết nối với tải có hiệu điện thế lớn hơn nhiều, điều này có thể dẫn đến việc Rơ le bị hư hỏng.
Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp
Bảo vệ mạch với nhiệt độ nào ?
Nhiệt độ hoạt động rộng bao nhiêu ?
2.9.4 Đánh giá ưu, nhược điểm của SSR: Ưu điểm:
Không xảy ra hiện tượng tóe lửa như nhiều loại rơ le khác và không gây nhiễu, không gây ra tiếng ồn
Độ bền và tuổi thọ cao cũng là một ưu điểm của rơ le bán dẫn
Dòng điều khiển thấp mà có thể điều khiển được điện áp cao
Kích thước nhỏ gọn ra đóng gói
Khi làm việc ở công suất lớn thì Rơ le cần tản nhiệt
Đòi hỏi người sử dụng có hiểu biết về điện tử chuyên sâu
Nhiều khi gây méo tín hiệu
Có thể dò điện và chết chập
2.9.5 Ứng dụng của Rơ le bán dẫn:
Gia nhiệt nhà máy nhựa, bao bì nhựa, hạt nhựa;
Gia nhiệt hệ thống lò điện, lò nung mẫu, lò hơi điện, lò thí nghiệm,…
Nhà máy sản xuất bao bì PP, PE,…
Nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, đồ gia dụng,…
Sự khác nhau giữa SSR và Relay điện từ SCR:
Một số điểm khác nhau cơ bản của SSR và SCR là:
Relay điện từ có giá thành thấp hơn so với SSR, dễ sử dụng và cho phép chuyển đổi mạch nạp điều khiển bằng điện năng thấp Tuy nhiên, nó có tốc độ xử lý chậm, dễ bị nhiễu do hồ quang và phát ra tiếng ồn khi sử dụng lâu dài.
SSR là giải pháp thay thế hiện đại cho SCR, khắc phục hiệu quả những nhược điểm và hạn chế của SCR Sự tách biệt giữa hai tín hiệu điều khiển đầu vào và điện áp tải đầu ra được thực hiện nhờ vào sự hỗ trợ của cảm biến ánh sáng Coupler.
SSR, hay relay điện tử, nổi bật với độ tin cậy cao, khả năng giảm nhiễu điện từ (EMI) và không gây phóng điện hồ quang hay từ trường Thời gian phản ứng của SSR cũng nhanh hơn so với SCR Tuy nhiên, cần lưu ý rằng SSR sinh nhiệt và có tuổi thọ ngắn hơn SCR.
SCS
Công tắc điều khiển bán dẫn (SCS) là một linh kiện bán dẫn gồm ba lớp tiếp giáp P-N-P-N và có bốn điện cực: cực âm C, cổng cực âm Gx, cổng cực dương G2 và cực dương A SCS có năng lượng thấp hơn so với SCR, xử lý dòng điện mA thay vì A Điểm khác biệt chính giữa SCS và SCR là SCS có một cổng bổ sung ở cực anode, kích thước nhỏ hơn, dòng rò và giữ dòng thấp hơn, do đó cần tín hiệu kích hoạt nhỏ hơn SCS cũng cung cấp đặc điểm kích hoạt đồng đều hơn giữa các mẫu.
Trong mạch tương đương hai transistor, một xung âm tại cổng anode G2 kích hoạt transistor Q1, từ đó cung cấp dòng điện cho transistor Q2, khiến cả hai đều bật Ngoài ra, một xung dương tại cổng cực âm G1 cũng có thể kích hoạt linh kiện Vì chỉ cần dòng điện nhỏ, SCS có thể được tắt bằng cách sử dụng xung phân cực thích hợp tại một trong các cổng; cụ thể, cổng cực âm cần xung âm để tắt, trong khi cổng cực dương cần xung dương.
2.10.3 Đặc tính V-A Đặc tính volt-ampere của SCS tương tự như của SCR và được thể hiện trên hình Khi tăng điện áp, dòng điện đầu tiên tăng chậm lên đến điểm A và sau đó nhanh chóng ở
Tại vùng AB, tại điểm B, β1β2 vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến việc linh kiện được bật lên Khi ở trạng thái bật, dòng điện tăng mạnh và bị giới hạn bởi điện trở ngoài SCS có thể bị kích hoạt một cách tình cờ nếu điện áp anode tăng đột ngột, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tốc độ Hiệu ứng này xảy ra do điện dung giữa các điện cực G1 và G2, được biết đến là điện dung chuyển tiếp.
2.10.4 Ưu điểm và ứng dụng của SCS
SCS có ưu điểm vượt trội so với SCR nhờ vào việc giảm thời gian tắt, cụ thể là từ 1 đến 10 micro giây cho SCS, trong khi thời gian tắt của SCR dao động từ 5 đến 30 micro giây.
SCS có nhiều ưu điểm vượt trội so với SCR, bao gồm khả năng kiểm soát tốt hơn và độ nhạy cao hơn Tuy nhiên, SCS cũng có những hạn chế nhất định, đặc biệt là về mức công suất, dòng điện và điện áp, với dòng anode tối đa thường chỉ đạt từ 100 mA đến 300 mA và mức tiêu tán từ 100 trở xuống.
SCS (Silicon Controlled Switch) có công suất 500 mW và được ứng dụng phổ biến trong nhiều loại mạch máy tính như bộ đếm, thanh ghi, mạch thời gian, cảm biến điện áp, máy phát xung và bộ dao động.
1.Đo, kiểm tra linh kiện ĐTCS
2.Lắp mạch ứng dụng SCR, Triac, Điac
BỘ CHỈNH LƯU
Bộ chỉnh lưu một pha
3.1.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển
3.1.1.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ
Sơ đồ mạch chỉnh lưu thể hiện trong hình H2.1a cho thấy rằng trong bán kỳ dương của điện áp nguồn, điện áp UAK lớn hơn 0, dẫn đến diode hoạt động và dẫn điện Ngược lại, trong bán kỳ âm, khi UAK nhỏ hơn 0, diode sẽ không dẫn điện.
Hình 3-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng
Xét trường hợp tải thuần trở
Các thông số của sơ đồ:
• Dòng điện tải: Id = Ud/ Rd
• Dòng điện chạy qua diod: ID = Id
• Điện áp ngược của van: Ung = 1.4U2
3.1.1.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ hình tia ( MBA có điểm giữa)
- Sơ đồ mạch: Điện áp cuộn thứ cấp biến áp:
- Điện áp trung bình của tải:
3.1.1.3 Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ hình cầu
3.1.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển
Tổng quan về mạch điều khiển
Diode là linh kiện tự dẫn điện khi có điện áp một chiều dương, nhưng không thể điều chỉnh điện áp cho các tải yêu cầu thay đổi, như trong điều chỉnh tốc độ động cơ Để khắc phục hạn chế này, thyristor (SCR) được sử dụng thay cho diode, cho phép điều chỉnh giá trị điện áp chỉnh lưu.
SCR là linh kiện chỉ điều khiển kích đóng, và việc ngắt SCR có thể thực hiện bằng cách đặt điện áp ngược hoặc triệt tiêu dòng điện qua nó Để kích đóng SCR, cần thỏa mãn hai điều kiện nhất định.
+ Xuất hiện điện áp khóa trên SCR: UAK > 0
+ Có dòng xung kích đủ lớn tác động vào cỗng G
Góc điều khiển, hay còn gọi là góc kích (ký hiệu là α), là góc được đo từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm có xung kích được đưa vào cực G của SCR.
Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó diode bắt đầu dẫn điện
Gọi X0 là thời điểm mở tự nhiên Ta có:
+ Đối với chỉnh lưu 1 pha: X0 = 0 (hình H3.1a)
+ Đối với chỉnh lưu ba pha: X 0
X 0 =0X X 0 của pha A X 0 của pha B X0 của pha C
Hình H3.1: Vị trí X0 của diode
Gọi X là vị trí đưa xung kích vào cực G của SCR
Ta xác định được góc kích như sau:
3.1.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển
Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển bán kỳ một pha cho tải thuần trở được minh họa trong hình H3.1a, trong khi tải R – L – E được thể hiện trong hình H3.1b Tải một chiều R – L - E thường được sử dụng cho động cơ điện một chiều.
Hình H3.2: Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ một pha có điều khiển Đồ thị dạng sóng ở ngõ ra của bộ chỉnh lưu như trên hình H3.2
Hình H3.2a và H3.2b mô tả dạng sóng điện áp chỉnh lưu, trong đó chu kỳ áp chỉnh lưu tương ứng với chu kỳ của nguồn điện xoay chiều Ở hình H3.2a, khi điện áp nguồn U bằng không, điện áp chỉnh lưu Ud cũng bằng không, dẫn đến dòng điện qua tải Id trở thành không.
Khi tải R-L-E có khả năng lưu trữ năng lượng, linh kiện sẽ không ngắt khi điện áp nguồn bằng không, mà vẫn tiếp tục dẫn do dòng điện tải Id vẫn lớn hơn 0 Chỉ khi Id bằng 0, linh kiện mới ngưng dẫn và điện áp chỉnh lưu U d sẽ bằng E.
Trong hai trường hợp trên, dòng điện tải luôn có đoạn bằng không nên được gọi là dòng tải gián đoạn
Giả sử điện áp nguồn xoay chiều có dạng: u(t)U m sin(t)
Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Với: U là trị hiệu dụng của điện áp nguồn
SCR dẫn điện trong khoảng thời gian nữa chu kỳ điện áp nguồn Do đó, trị trung bình dòng điện qua linh kiện:
SCR 2 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên linh kiện:
Phạm vi góc điều khiển: 0180 0
3.2.1.2 Chỉnh lưu toàn kỳ có điều khiển
Hình 3.3: Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR
Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấp đôi Điện áp trung bình lối ra: (3.5)
Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, còn có các mạch chỉnh lưu gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod
Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trường hợp đối xứng đối (3.6)
Tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ
Hình 3.4: Mạch chỉnh lưu cầu không đối xứng
Bộ chỉnh lưu ba pha
3.2.1 Chỉnh lưu ba pha không điều khiển
3.2.1.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia
Hình H2.4: Mạch chỉnh lưu hình tia và dạng sóng điện áp
Sơ đồ bộ chỉnh lưu được thể hiện trong hình H2.4a với nguồn ba pha lý tưởng và đối xứng, theo biểu thức (2.4) Tải một chiều bao gồm điện trở R, cuộn cảm L và sức điện động E được mắc nối tiếp, thường thấy trong động cơ điện một chiều Các biểu thức điện áp được mô tả như sau: \( u_a(t) = U_m \sin(X) \), \( u_b(t) = U_m \sin(X - 120^\circ) \), và \( u_c(t) = U_m \sin(X - 240^\circ) \).
Quy tắc dẫn điện của diode cho biết rằng, trong mạch điện xoay chiều, diode nào có giá trị áp tức thời lớn nhất tại thời điểm đang xét sẽ dẫn điện, trong khi các diode khác sẽ không dẫn điện.
: D1 dẫn, D2 và D3 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (ua, D1, R, L, E); điện áp chỉnh lưu Ud = ua
: D2 dẫn, D1 và D3 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (u b , D2, R, L, E); điện áp chỉnh lưu U d = ub
: D3 dẫn, D1 và D2 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (u c , D3, R, L, E); điện áp chỉnh lưu U d = uc
Hệ quả: Điện áp chỉnh lưu có ba xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T p 1
3 T , với T là chu kỳ của điện áp nguồn
Dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu:
Với U là giá trị hiệu dụng của điện áp pha
Trị trung bình dòng điện qua tải ở trạng thái xác lập:
Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1 chu kỳ của điện áp nguồn Do đó,
3 trị trung bình dòng điện qua diode:
I I d (2.5c) lk 3 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode bằng biên độ của điện áp dây:
Bộ chỉnh lưu tia ba pha được mô tả trong hình H3.4a với nguồn ba pha có điện áp dây Ud = 380V, điện trở R = 5Ω, và cảm kháng L = 120mH Khi áp suất điện E = 100V, cần xác định trị trung bình của áp chỉnh lưu, dòng điện tải ở trạng thái ổn định và dòng điện trung bình qua linh kiện.
Trị trung bình của áp chỉnh lưu: U d 3 6 U 3 6 220 257, 4V
Dòng điện tải ở xác lập: I d
Dòng điện trung bình qua linh kiện: I lk I d 31, 5 10,5A
3.2.1.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bao gồm 6 diode được chia thành hai nhóm linh kiện: nhóm linh kiện lẻ ở trên và nhóm linh kiện chẵn ở dưới, như minh họa trong hình H2.5a.
Qui luật dẫn điện của các linh kiện được phân chia thành hai nhóm Đối với nhóm linh kiện đầu tiên, linh kiện nào kết nối với nguồn có giá trị tức thời của điện áp lớn nhất sẽ dẫn điện, trong khi các linh kiện khác không dẫn Ngược lại, đối với nhóm linh kiện thứ hai, linh kiện nào kết nối với nguồn có giá trị tức thời của điện áp nhỏ nhất sẽ dẫn điện, còn lại các linh kiện không dẫn.
Dựa vào quy tắc đóng ngắt của các linh kiện, ta có thể xây dựng dạng sóng điện áp ngõ ra như hình H2.5b Các khoản dẫn của linh kiện được ký hiệu là (θ1, …, θ6) và sẽ lặp lại theo chu kỳ Mỗi khoản dẫn tương ứng với một linh kiện ở nhóm trên và một linh kiện ở nhóm dưới, như đã chú thích trong hình H23.5b.
Giá trị của các khoản dẫn như sau:
2 (hay 30 0 ≤ 1 90 0 ): diode D1 và D6 dẫn (sơ đồ tương đương như trên hình H2.6), dòng điện chạy qua mạch (ua, D1, R, L, E, D6, ub) Điện áp chỉnh lưu Ud = ua – ub = uab
Tương tự, ta có thể phân tích quá trình dẫn điện của các linh kiện trong các khoảng dẫn còn lại (2.6)
Dựa trên phân tích, điện áp chỉnh lưu được xác định là điện áp dây trong các khoảng thời gian mà các linh kiện dẫn điện.
Hình H2.5: Mạch chỉnh lưu cầu và dạng sóng điện áp ở ngõ ra
Hình 2.6: Sơ đồ tương đương khi D1 và D6 dẫn
Hệ quả: Điện áp chỉnh lưu có sáu xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T p 1
6 T , với T là chu kỳ của điện áp nguồn
Dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu:
Với U là giá trị hiệu dụng của điện áp pha
Trị trung bình dòng điện qua tải ở trạng thái xác lập:
Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1 chu kỳ của điện áp nguồn Do đó,
3 trị trung bình dòng điện qua diode:
3 d Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode bằng biên độ của điện áp dây:
Trong ví dụ 2.5, mạch chỉnh lưu cầu ba pha được mô tả với nguồn ba pha có điện áp dây hiệu dụng Ud = 220V Với giá trị điện trở R = 10Ω và cảm kháng L rất lớn để duy trì dòng tải liên tục, ta có E = 0 Nhiệm vụ là xác định trị trung bình của áp chỉnh lưu, dòng điện tải ở trạng thái xác lập, công suất tiêu thụ của tải, và điện áp ngược lớn nhất đặt lên linh kiện.
Trị trung bình áp chỉnh lưu: U d 3 6 U 3 6 127 297, 2V
Dòng điện tải ở xác lập: I d U d E 297, 2 29,72A
Công suất tiêu thụ của tải: P t U d I d 297, 2.29,72 8832,8W Điện áp ngược lớn nhất đặt lên linh kiện: U N 6 U 6.127 311V
3.2.2 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển
3.2.2.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển
Ta xét tải của bộ chỉnh lưu là tải thuần trở (hình H3.5a) và tải R-L-E (hình H3.5b)
Hình H3.5: Sơ đồ chình lưu tia ba pha
Giả sử dòng tải liên tục Do đó, tại mỗi thời điểm, dòng điện tải sẽ kép kin qua một nhánh chứa nguồn và SCR dẫn điện
Do tính chất đối xứng của nguồn, các SCR sẽ được kích đóng theo trật tự T1, T2, T3, T1, … Giản đồ xung kích đóng cùng với dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lưu được thể hiện trong hình H3.11 Khi linh kiện dẫn điện, điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu sẽ bằng với điện áp của nguồn kết nối với linh kiện đó.
Khi T1 dẫn, dòng điện tải sẽ tạo thành mạch khép kín qua các linh kiện (ua, T1, RLE), trong khi T2 và T3 sẽ ngắt Do đó, quy tắc dẫn điện của các linh kiện có thể được rút ra rằng linh kiện nằm trên pha có điện áp lớn nhất sẽ dẫn điện nếu có xung kích.
Hình H3.6: Giản đồ xung kích và dạng sóng ngõ ra của bộ chỉnh lưu
Khi dòng tải liên tục, điện áp tải phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc điều khiển α Trong một chu kỳ của điện áp nguồn, điện áp tải có ba xung, với chu kỳ điện áp tải T p = T.
3 (với T là chu kỳ điện áp nguồn)
Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:
Khi mạch ở chế độ xác lập, dòng điện qua tải:
Phạm vi góc điều khiển: do điện áp khóa trên phạm vi góc điều khiển là (0,) Từ đó, điện nằm trong khoảng :
SCR chỉ tồn tại trong khoảng 0
