Tài liệu giảng dạy học phần Điện tử công suất Công nghệ kỹ thuật điện điện tử

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách tài liệu giảng dạy nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu giảng dạy Điện tử cơng suất có mã học phần CNC112012, gồm tín (Lý thuyết: 1; Thực hành: 1), số giờ: 45 (Lý thuyết: 15; Thực hành: 30), loại học phần: bắt buộc Tài liệu thuộc nhóm học phần chuyên môn ngành, nghề học phần chuyên mơn khung chương trình đào tạo ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử Về nội dung tài liệu cung cấp khối kiến thức sở linh kiện điện tử công suất mạch ứng dụng, như: -Trình bày khái niệm định nghĩa công nghệ chuyển đổi lượng điện dùng bán dẫn -Nêu thuộc tính nguyên lý đóng ngắt khóa bán dẫn cơng suất dùng SCR, Diac, Triac -Trình bày chức năng, ứng dụng phân loại chỉnh lưu thông dụng, nguyên lý làm việc mạch Inverter, Converter Tài liệu tồn khơng thiếu sót chưa hồn thiện, mong tiếp tục nhận nhiều ý kiến đóng góp từ giảng viên, sinh viên quan doanh nghiệp Chân thành cảm ơn TP HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên Trần Quốc Trung A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC: Alternating Current DC: Direct Current PWM: Pulse Width Modulation B DANH MỤC BIỂU BẢNG SỐ LIỆU C DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1: Sơ đồ nguyên lý dạng sóng mạch dao động phi ổn dùng BJT 10 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch dao động tạo xung nhọn dùng UJT 12 Hình 3: Dạng sóng mạch dao động tạo xung nhọn dùng UJT 12 Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế PWM duøng IC 555 13 Hình 5: Dạng sóng ngõ mạch điều chế PWM duøng IC 555 14 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý dạng sóng mạch điều chế SPWM pha 15 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý dạng sóng mạch điều chế SPWM pha 16 Hình 8: Mạch dao động dùng BJT 20 Hình 9: Mạch dao động dùng IC 555 21 Hình 10: Mạch dao động tạo xung kích SCR dùng UJT 22 Hình 11: Mạch tạo xung dùng IC 8038 23 Hình 12: Mô tả cấu tạo diode 24 Hình 13: Mô tả ký hiệu diode 24 Hình 14: Đặc tuyến V- A diode (loại Ge vaø Si) 25 Hình 15: Mô tả cấu tạo Transistor 26 Hình 16: Mô tả ký hiệu Transistor 26 Hình 17: Đặc tuyến transistor 27 Hình 18: Mô tả cấu tạo SCR 28 Hình 19: Mô tả ký hiệu SCR 29 Hình 20: Đặc tuyến V- A cuûa SCR 29 Hình 21: Sơ đồ nguyên lý mạch phân cực SCR 30 Hình 22: Mô tả cấu taïo Diac 31 Hình 23: Mô tả ký hieäu Diac 31 Hình 24: Đặc tuyến V- A cuûa diac 32 Hình 25: Mô tả cấu tạo triac 33 Hình 26: Mô tả ký hiệu triac 33 Hình 27: Đặc tuyến V- A triac 34 Hình 28: Mạch báo động 35 Hình 29: Mạch tự động đóng mở đèn 36 Hình 30: Mạch đảo chiều quay động 39 Hình 31: Mạch điều chỉnh độ sáng đèn 40 Hình 32: Mạch điều chỉnh độ sáng đèn 41 Hình 33: Mạch điều chỉnh tốc độ động 42 Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha bán kỳ 44 Hình 35: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha tòan kỳ hình cầu 45 Hình 36: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha bán kỳ 46 Hình 37: Dạng sóng mạch chỉnh lưu pha bán kỳ 46 Hình 38: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha toàn kỳ 47 Hình 39: Dạng sóng mạch chỉnh lưu pha toàn kỳ 47 Hình 40: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha bán kỳ hình tia 48 Hình 41: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha toàn kỳ hình cầu 49 Hình 42: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha bán kỳ hình tia 50 Hình 43: Dạng sóng vào mạch chỉnh lưu pha bán kỳ có điều khiển 50 Hình 44: Dạng sóng vào mạch chỉnh lưu pha bán kỳ có điều khiển 51 Hình 45: Dạng sóng vào mạch chỉnh lưu pha toàn kỳ có điều khiển toàn phần 51 Hình 46: Mach chỉnh lưu pha tồn kỳ hình tia 54 Hình 47: Mach chỉnh lưu pha tồn kỳ hình cầu 55 Hình 48: Mach chỉnh lưu pha tồn kỳ hình cầu 56 Hình 49: Mach chỉnh lưu pha bán kỳ 57 Hình 50: Mach chỉnh lưu pha tồn kỳ hình cầu 58 Hình 51: Mạch Inverter dòng pha 60 Hình 52: Mạch Inverter ap pha 62 Hình 53: Mạch Inverter dòng pha gián tiếp 64 Hình 54: Đường biểu diễn dòng biến áp pha cấp cho tải 66 Hình 55: Mạch Inverter áp pha gián tiếp 67 Hình 56: Mạch Converter dùng moät transistor 70 Hình 57: Mạch Converter dùng transistor với nguồn đơn 71 Hình 58: Mạch Converter dùng hai transistor với nguồn đối xứng 73 Hình 59: Mạch converter dùng transistor NPN 74 Hình 60: Mạch converter dùng transistor NPN transistor PNP 76 Hình 61: Dạng xung kích vào cực B transistor 77 Hình 62: Mạch nghịch lưu dùng BJT 80 Hình 63: Mạch nghịch lưu dùng 81 Hình 64:Mạch nghịch lưu dùng IC555 82 Hình 65: Mạch nghịch lưu dùng BJT 83 Hình 66: Mạch nghịch lưu dùng 4047 84 D PHẦN NỘI DUNG TÀI LIỆU GIẢNG DẠY Tên học phần: Điện tử công suất Mã học phần: CNC112012 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị học phần: - Vị trí: học kỳ - Tính chất: Kiến thức chuyên ngành - Ý nghĩa vai trò học phần: Nội dung học phần cung cấp cho sinh viên kiến thức, kỹ mạch dao động đa hài phi ổn, dao động 555, mạch tạo xung cưa; khái niệm linh kiện điện tử công suất diode công suất, transistor công suất, transistor trường, Diac…; mạch chỉnh lưu bán kỳ, chỉnh lưu với tải khác nhau; mạch chỉnh lưu toàn cầu, chỉnh lưu hình tia, hình cầu; chuyển đổi nguồn, biến tần Mục tiêu học phần: Kiến thức: -Trình bày khái niệm định nghĩa công nghệ chuyển đổi lượng điện dùng bán dẫn -Nêu thuộc tính nguyên lý đóng ngắt khóa bán dẫn cơng suất dùng SCR, Diac, Triac -Trình bày chức năng, ứng dụng phân loại chỉnh lưu thông dụng, nguyên lý làm việc mạch Inverter, Converter Kỹ năng: -Ứng dụng SCR, Triac điều khiển mạch điện AC, DC -Đo kiểm thông số mạch Inverter-Converter sử dụng tải trở, tải cảm -Lắp đặt tốt sơ đồ mạch điện tử công suất -Vận hành tốt mạch điện lắp đặt Năng lực tự chủ trách nhiệm: -Có tinh thần học tập, rèn luyện nâng cao kiến thức, kỹ cách tích cực Nội dung học phần: Trang CHƯƠNG 1: CÁC MẠCH TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN 10 1.1.Mạch tạo xung vuông 10 1.2.Mạch tạo xung cưa 11 1.3.Một số mạch tạo xung điều khiển khác 13 CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THÔNG DỤNG 24 2.1.Diode công suất 24 2.2.Transistor công suất 26 2.3.Thyristor 28 2.4.Triac – Diac 31 2.5.Mạch ứng dụng linh kiện điện tử công suất 35 CHƯƠNG 3: MẠCH CHỈNH LƯU 44 3.1.Chỉnh lưu pha 44 3.1.1 Chỉnh lưu pha không điều khiển 44 3.1.2 Chỉnh lưu pha có điều khiển 45 3.2.Chỉnh lưu pha 47 3.2.1 Chỉnh lưu pha không điều khiển 47 3.2.2 Chỉnh lưu pha có điều khiển 49 CHƯƠNG 4: BỘ CHUYỂN ĐỔI NGUỒN 59 4.1.Bộ chuyển đổi nguồn DC-AC (Inverter) 59 4.2.Bộ chuyển đổi nguồn DC-DC (Converter) 69 CHƯƠNG 1: CÁC MẠCH TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN 1.1.Mạch tạo xung vuông *SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý dạng sóng mạch dao động phi ổn dùng BJT 10 Do tính phản kháng cuộn dây sơ cấp, nên tín hiệu điều khiển có dạng hình vuông dòng Ic qua cuộn sơ cấp có dạng hình thang Mạch điều khiển mạch dao động hình sin, lúc dòng Ic qua cuộn sơ cấp có dạng hình sin bị lệch pha *Mạch Converter dùng hai transistor với nguồn đơn: Hình 57: Mạch Converter dùng transistor với nguồn đơn Hai transistor Q1, Q2 ráp đối xứng, hai cực C nối vào hai đầu cuộn sơ cấp có điểm giữa, điểm nối với nguồn chiều dương Tín hiệu điều khiển đưa vào hai cực B hai transistor hai tín hiệu đảo pha Khi cực B1 nhận xung dương làm cho Q1 dẫn, dòng IC1 qua cuộn sơ cấp từ O đến A Lúc đó, cực B2 nhận điện áp mức thấp làm Q2 ngưng 71 Khi cực B1 nhận xung âm làm Q1 ngưng dẫn Lúc đó, cực B2 Q2 nhận xung dương làm cho Q2 dẫn, dòng IC2 qua cuộn sơ cấp từ O đến B Như vậy, hai transistor Q1 Q2 luân phiên dẫn điện cực B nhận xung dương Dòng điện IC IC chạy ngược chiều cuộn sơ cấp, nên cảm ứng sang cuộn thứ cấp cho hai bán kỳ ngược pha Điện áp xoay chiều thứ cấp tùy thuộc mức điện áp chiều cuộn sơ cấp tùy thuộc tỷ lệ số vòng dây sơ cấp thứ cấp Tần số dòng điện tần số mạch tạo xung điều khiển Diode D3 D4 ghép song song, ngược chiều với mối nối CE hai transistor có tác dụng nối tắt điện áp ngược cuộn dây sơ cấp tự cảm ứng bị điện đột ngột, để bảo vệ hai transistor tránh bị đánh thủng Diode D1-D2 mạch chỉnh lưu toàn kỳ để đổi điện áp xoay chiều thứ cấp thành nguồn chiều cấp cho tải Hai tụ C1-C2 tụ lọc nguồn, dòng điện xoay chiều có tần số cao hai tụ chọn trị số điện dung nhỏ theo công thức: C I2 VR f Trong : I2 : dòng điện tải VR : điện áp gơn sóng f : tần số gơn sóng *Mạch Converter dùng hai transistor với nguồn đối xứng: 72 Hình 58: Mạch Converter dùng hai transistor với nguồn đối xứng Hai transistor công suất Q1 – Q2 loại bổ phụ NPN PNP Điều kiện mạch khuếch đại bổ phụ là: - Q1 Q2 phải có công suất cực đại Pmax - Q1 Q2 phải có hệ số khuếch đại dòng điện  - Q1 Q2 phải chế tạo chất bán dẫn Silicium - Q1 Q2 hai transistor bổ phụ Hai transistor Q1 – Q2 ráp kiểu cực C chung nên có ngõ cực E trạng thái tónh cực E có điện áp 0V (nhưng mass) nên dòng điện qua cuộn sơ cấp Tụ C nối ngõ cuộn sơ cấp có tác dụng cách ly điện áp chiều hai cực E cuộn sơ cấp để tránh hư cuộn sơ cấp trường hợp mạch bị hư, hai transistor đối xứng, điện áp hai cực E khác 0V 73 Mạch điều khiển mạch tạo xung vuông đối xứng thời gian đối xứng biên độ Khi mạch điều khiển cho xung vuông dương với mức điện áp VOH Q1 phân cực thuận dẫn điện cho dòng điện IC1, dòng điện lấy từ nguồn dương +VDC mạch điều khiển cho xung âm VOL Q2 dẫn điện cho dòng IC2 dòng điện lấy từ nguồn âm –VDC Hai diode D1-D2 mạch chỉnh lưu toàn kỳ để đổi nguồn chiều có điện áp cao nguồn VDC sơ cấp *Mạch converter dùng transistor NPN: Hình 59: Mạch converter dùng transistor NPN Trong hình, bốn transistor ráp theo kiểu cầu đối xứng loại NPN Các điểm A-B-C-D nhận xung kích từ mạch điều khiển 74 Mạch điều khiển cho xung kích theo nguyên lý sau: Khi điểm A có điện áp mức cao (VA>VM) làm Q1 dẫnthì điểm B có điện áp mức thấp (VB=VN) làm Q2 ngưng Đồng thời lúc điểm D có mức điện áp thấp (VD = 0V) làm Q4 ngưng dẫn điểm C có điện áp mức cao (VC > 0V) làm Q3 dẫn Dòng điện từ nguồn +VDC qua Q1 qua tụ Co, cuộn sơ cấp máy biến áp qua Q3 xuống mass Khi điểm A có điện áp mức thấp (VA=VM) làm Q1 ngưng dẫn điểm B có điện áp mức cao (VB > VN) làm Q2 dẫn Đồng thời lúc điểm D có mức điện áp cao (VD > 0V) làm Q4 dẫn điểm C có điện áp mức thấp (VC = 0V) làm Q3 ngưng dẫn Dòng điện từ nguồn +VDC qua Q2 qua cuộn sơ cấp máy biến áp theo chiều ngược lại, qua tụ Co qua Q4 xuống mass Như hai trạng thái dòng điện qua cuộn sơ cấp có chiều ngược nên cảm ứng sang thứ cấp cho hai bán kỳ ngược pha Tụ Co loại tụ điện cực tính Non-polar Dòng điện xoay chiều cuộn thứ cấp có tần số tần số mạch tạo xung kích *Mạch converter dùng transistor NPN transistor PNP: 75 Hình 60: Mạch converter dùng transistor NPN transistor PNP Trong sơ đồ mạch converter, Q1-Q4 Q2-Q3 hai cặp transistor ráp kiểu bổ phụ Với cách thiết kế này, mức điện áp xung kích cho cực B transistor so với điện áp VM VN không so với mass Khi điểm A có VA > VM điểm D có VD = VM, Q1 dẫn, Q4 ngưng Đồng thời lúc đó, điểm B có VB = VN điểm C có VC < VN, Q2 ngưng, Q3 dẫn Dòng điện từ nguồn +VDC qua Q1, qua tụ Co qua cuộn sơ cấp Q3 xuống mass 76 Khi điểm A có VA = VM điểm D có VD < VM, Q1 ngưng, Q4 dẫn Đồng thời lúc đó, điểm B có VB > VN điểm C có VC = VN, Q2 dẫn, Q3 ngưng Dòng điện từ nguồn +VDC qua Q2, qua cuộn sơ cấp qua tụ Co Q4 xuống mass Như vậy, mạch có nguyên lý giống mạch converter dùng transistor cầu loại NPN khác cách cho điện áp xung kích vào cực B transistor Hình 61: Dạng xung kích vào cực B transistor 77 * BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG 4: 1.Giải thích nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng pha? 2.Nêu ứng dụng mạch inverter ? 3.Giải thích nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng pha? 4.Giải thích nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha? 5.Giải thích nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha? 6.Giải thích nguyên lý mạch converter dùng transistor NPN? Giải thích nguyên lý mạch converter dùng transistor NPN? 7.Giải thích nguyên lý mạch converter dùng transistor bổ phụ? 8.Giải thích nguyên lý mạch converter dùng cầu dùng cặp transistor bổ phụ? 9.Giải thích nguyên lý mạch sau: 78 79 *THỰC HÀNH CHƯƠNG 4: 1.Giải thích nguyên ly hoạt động, lắp ráp khảo sát mạch sau: Hình 62: Mạch nghịch lưu dùng BJT Kết khảo sát: 80 2.Giải thích nguyên ly hoạt động, lắp ráp khảo sát mạch sau: Hình 63: Mạch nghịch lưu dùng Kết khảo sát: 81 3.Giải thích nguyên ly hoạt động, lắp ráp khảo sát mạch sau: Hình 64:Mạch nghịch lưu dùng IC555 Kết khảo sát: 82 4.Giải thích nguyên ly hoạt động, lắp ráp khảo sát mạch sau: Hình 65: Mạch nghịch lưu dùng BJT 83 Kết khảo sát: 5.Giải thích nguyên ly hoạt động, lắp ráp khảo sát mạch sau: Hình 66: Mạch nghịch lưu dùng 4047 84 Kết khảo sát: 85 ... dùng 4047 84 D PHẦN NỘI DUNG TÀI LIỆU GIẢNG DẠY Tên học phần: Điện tử công suất Mã học phần: CNC112012 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị học phần: - Vị trí: học kỳ - Tính chất: Kiến... học phần chuyên môn ngành, nghề học phần chuyên môn khung chương trình đào tạo ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử Về nội dung tài liệu cung cấp khối kiến thức sở linh kiện điện tử công suất. .. THIỆU Tài liệu giảng dạy Điện tử công suất có mã học phần CNC112012, gồm tín (Lý thuyết: 1; Thực hành: 1), số giờ: 45 (Lý thuyết: 15; Thực hành: 30), loại học phần: bắt buộc Tài liệu thuộc nhóm học