Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

Mở đầu

1 Đặt vấn đề

Hiện nay điện năng đã và đang là nguồn năng lượng chính tạo đà cho sự phát triển của mọi, ngành mọi lĩnh vực đời sống, kinh tế, quốc phòng của mỗi quốc gia ở mỗi thời kỳ khác nhau năng lượng điện thâm nhập vào quá trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con người cũng khác nhau Nhưng một điều rõ ràng là xã hội càng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng càng lớn và nó càng được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên năng lượng điện chỉ mang tính ưu việt khi các thông số của nó như dòng điện, điện áp, tần số ổn

định ở mức cho phép Còn khi lưới điện xảy ra sự cố như mất một pha, ngắn mạch, chế độ mất đối xứng về điện áp hoặc đảo thứ tự pha nếu không có các biện pháp bảo vệ tin cậy thì sẽ gây tác hại rất xấu đến thiết bị điện và rất nguy hiểm cho người sử dụng

Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế ứng dụng các thiết bị bảo vệ là vấn đề rất quan trọng Các thiết bị điện càng tinh vi càng hiện đại thì càng cần thiết phải bảo vệ Yêu cầu của bảo vệ khi ấy phải rất tin cậy, chính xác và độ chắc chắn cao

Chế độ không đối xứng của lưới điện ba pha gây qua tải, phát nóng và tăng tổn thất trong máy phát, động cơ không đồng bộ, máy biến áp làm cho thiết bị điện hoạt động không tin cậy hoặc bị hỏng

Chế độ mất đối xứng rất nguy hiểm mà động cơ không đồng bộ thường gặp là mất pha hoặc thứ tự pha thay đổi Khi đó động cơ bị quá tải, mômen quay giảm, nhiệt độ tăng cao làm cháy hỏng cách điện Thiệt hại do động cơ

bị hỏng hóc, làm gián đoạn quy trình công nghệ của nhà máy, xí nghiệp, gây

ra các hậu quả nghiêm trọng

để bảo vệ động cơ điện và các thiết bị điện ba pha nói chung người ta sử dụng các thiết bị bảo vệ như: cầu chảy, áptômát, rơle nhưng trong nhiều trường hợp chúng ta chưa đạt được nhu cầu cần thiết của bảo vệ Chẳng hạn để bảo vệ động cơ khi bị qua tải người ta thường dùng các loại rơle nhiệt, song

trong nhiều trường hợp rơle nhiệt không tác động, nhất là khi động cơ bị mất pha và đảo pha Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu tư mạnh mẽ cho việc nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu mới của khoa học kỹ thuật trên cơ sở phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, điện tử công suất vào việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo vệ

Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nước chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất được đưa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc phục vụ đời sống hàng ngày

Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, điều này kéo theo sự phát triển và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor các bộ biến đổi ngày càng hiện đại, gọn nhẹ, độ tác động nhanh, dễ ghép nối với các vi mạch điện tử

Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ để đưa tự động hóa vào sản xuất em xin giới thiệu đề tài

“Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất.”

ở nước ta, nhiều năm gần đây một số đơn vị khoa học kỹ thuật đã đầu tư nghiên cứu chế tạo thiết bị bảo vệ chống mất pha và đảo pha đối với động cơ

điện Cơ sơ của việc nghiên cứu chế tạo dựa trên những tư liệu nước ngoài và cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện nước ta

Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu hướng thị trường, ngành thiết bị

điện cũng được đa dạng hoá Các thiết bị bảo vệ cũng vì thế mà phong phú, nhiều chủng loại, chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau Bên cạnh những ưu việt về tính năng kỹ thuật, phạm vi sử dụng Các thiết bị này còn bộc lộ nhiều trở ngại là giá thành cao Đặc biệt là trong nông nghiệp, đối với các cơ sở kinh

tế nhỏ, xí nghiệp xay sát, chế biến nông sản, các trạm bơm công suất nhỏ thì việc sử dụng các thiết bị bảo vệ đắt tiền cho động cơ là một bài toán nan giải

Do còn hạn chế về mặt trình độ và thời gian nghiên cứu, kinh nghiệm con nhiều non kém nên đề tài này chắc không thiếu những sai sót, chưa được

hoàn thiện Rất mong được sự góp ý, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học kỹ thuật và các bạn đồng nghiệp quan tâm đến đề tài này

2 Mục đích đề tài

- Tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn và các phần tử logic

- Nghiên cứu về động cơ ba pha và sự mất cân bằng pha

- ứng dụng các linh kiện bán dẫn và phần tử logic vào việc nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ động cơ

3 nội dung đề tài

Đề tài ứng dụng điện tử công suất trong Nghiên cứu thiết kế mạch bảo

vệ động cơ dùng bán dẫn công suất là một đề tài rộng Các phương pháp nghiên cứu ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian Vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài được giới hạn như sau

Chương1: Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn và một số mạch logic cơ bản

Chương 2: Giới thiệu về mạch điện xoay chiều và động cơ ba pha

Chương 3: ảnh hưởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha

Chương 4: Một số phương pháp bảo vệ động cơ ba pha

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế, tính toán mạch điện trên lý thuyết

- Tổ hợp các tín hiệu phát hiện mất pha và đảo pha trên chính các pha của nguồn, từ hai pha liên tiếp nhau để đảm bảo đúng thứ tự các pha Việc tổ hợp các tín hiệu này được thực hiện trên các mạch logic của Nhật: 4011, 4049,

4081

- Tiến hành lắp ráp khảo nghiệm trong thực tế để hiệu chỉnh lại mạch

Chương I

một số linh kiện bán dẫn và các mạch logic

cơ bản

1.1 Điôt

1.1.1 Điôt công suất

+ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Điôt được hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo thành lớp chuyển tiếp P- N

Điôt bán dẫn có cấu tạo như hình 1.1

Hình 1.1: Điôt bán dẫn

a- Cấu trúc bên trong của điôt

b- Ký hiệu của điôt

c- Hình dạng bên ngoài của điôt

Đặc tính V- A của điôt biểu diễn quan hệ U= f(I) giữa dòng điện qua

điôt và điện thế đặt vào 2 cực điôt

Đặc tính V- A tĩnh của điôt có 2 nhánh

Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận (sơ đồ nối mạch ở góc I) thì dòng

điện tăng theo điện áp Khi điện áp đặt vào điôt vượt một ngưỡng Un cỡ 0,1ữ 0,5 V và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng parabol (đoạn 1) Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2)

Điện trở thuận của điôt ở 1 điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo:

1

th

I tg

R = ΔU = α

c)

Đó chính là giá trị nghịch đảo đạo hàm dI

dU của đặc tính của tại điểm tính điện trở

Nhánh ng−ợc ứng với phân áp ng−ợc (sơ đồ nối mạch ở góc III) Lúc

đầu , điện áp ng−ợc tăng thì dòng điện ng−ợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nh−ng chậm (đoạn 3) Tới điện áp ng−ợc U > 0,1V thì dòng điện ng−ợc có trị

số nhỏ vài mA và gần nh− giữa nguyên Sau đó điện áp ng−ợc đủ lớn U >

Ungmax thì dòng điện ng−ợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điôt bị đánh thủng Lúc này, dòng điện ng−ợc tăng vọt dù có giảm điện áp

Điện áp lúc này là điện áp chọc thủng Điôt bị phá hỏng Để đảm bảo an toàn cho điôt, ta nên cho điôt làm việc với điện áp ng−ợc – 0,8 Ungmax thì dòng điện

rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh− ở trạng thái khóa

Vùng khuỷnh là vùng điện trở ng−ợc của điôt đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ng−ợc từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn

Hình 1.2: Đặc tính V-A của điôt

Khi phân cực thuận thì dòng điện qua điôt theo công thức:

.1

D

V KT

- Điện áp rơi định mức Δu là điện áp rơi trên điôt khi điôt mở và dòng

qua điôt bằng dòng thuận định mức

- Thời gian phục hồi tính khoá T k là thời gian cần thiết để điôt chuyển

từ trạng thái mở sang trạng thái khoá

+ Các ứng dụng của điôt

- Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

V1 = Vm Sinωt

V2 = -Vm Sinωt

Hình1.3: Mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

- Mạch chỉnh lưu 3 pha một nửa chu kỳ

- ChØnh lưu cÇu

V2 V1

0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,8 0,6 0,6 0,6

BΠ-200

BΠ-1000

200 1000

300ữ 1000

1000

0,7 0,8

12

4 Hãng Thomson chế tạo

+ Tác dụng ổn áp

Để thấy rõ tác dụng ổn áp của điôt ta hãy xét phần nghịch của đặc tuyến V- A của điôt ổn áp Khi điện áp nghịch đạt đến một giá trị nhất định, thì dòng điện nghịch tăng lên một cách đột biến, sau đó ứng với phạm vi biến thiên rất lớn của dòng điện nghịch là phạm vi biến thiên rất nhỏ của điện áp nghịch Đó là hiện tượng đánh thủng điện

Điều kiện để sử dụng đặc tính ổn áp nói trên là trong mạch điện điôt ổn

áp phải có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho sự đánh thủng không dẫn đến

sự đánh thủng nhiệt làm hỏng bóng ổn áp

+ Mạch điện tương đương

Hình 1.7: Mạch điện tương đương và ký hiệu của điôt ổn áp

+ Nguyên lý đánh thủng: Hiện tượng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N

có thể do hai cơ chế sau đây:

- Hiện tượng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện trường nghịch đặt

vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng lượng để tách khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do, tạo ra cặp điện tử- lỗ trống Vì lúc này

số hạt dẫn tăng đột biến nên xảy ra hiện tượng đánh thủng

- Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện trường nghịch đặt vào mạnh, thì

năng lượng của các hạt dẫn tăng lên lớn hơn, có thể xảy ra va chạm làm bứt các điện tử lớp ngoài của nguyên tử Phản ứng dây chuyền này xảy ra làm cho

số hạt dẫn tăng lên đột biến nên xảy ra hiện tượng đánh thủng

+ Các tham số của điôt ổn áp

- Điện áp ổn áp là giá trị điện áp ổn áp trên hai cực của điôt ổn áp khi

nó làm việc trong mạch điện ổn áp Giá trị này có thể thay đổi nhỏ, phụ thuộc vào dòng điện công tác nhiệt độ

- Dòng điện công tác là giá trị dòng điện nằm giữa đoạn đặc tuyến làm

việc của điôt zener được dùng để tham khảo

- Hệ số nhiệt độ là hệ số biểu thị sự ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ đối

với giá trị điện áp ổn áp

- Điện trở động là tỷ số giữa số gia điện áp và số gia dòng điện tương

ứng Điện trở động thay đổi theo dòng địên công tác, dòng địên công tác càng lớn thì điện trở động càng nhỏ

- Công suất tiêu hao cho phép là tham số xác định nhiệt độ tăng cao

cho phép Nếu biết điện áp ổn áp thì tính được dòng điện công tác cực đại cho phép bằng tỷ số giữa công suất tiêu hao cho phép với giá trị điện áp ổn áp

1.1.3 điôt phát quang (Đèn LED)

+ Linh kiện hiển thị bán dẫn

- Một số vật liệu bán dẫn đặc biệt như hợp chất GaAsP, khi làm thành lớp chuyển tiếp P- N, nếu có điện áp thuận đặt vào, thì có bức xạ quang, tức là biến điện năng thành quang năng Sử dụng các chuyển tiếp P- N bức xạ quang

có thể chế tạo các linh kiện như điôt phát quang (đèn LED)

- Đặc điểm: Quang phổ phát xạ của hiển thị bán dẫn phù hợp với cảm

thụ thị giác, điện áp công tác thấp (1,5 – 5)V, thể tích nhỏ, tuổi thọ cao (hơn

1000 giờ làm việc), dòng định mức Iđm=(10 ữ20) mA

Lớp phát E có cường độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc B có nồng độ tạp chất nhỏ nhất Để phân biệt với các loại tranzito khác, tranzito PNP và NPN còn gọi là tranzito lưỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito)

1.2.1 Nguyên tắc hoạt động

Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN tranzito công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái

mở

Để tranzito làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của tranzito gọi là phân cực cho tranzito

Hình 1.10: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại

Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ Do JEphân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE tạo nên dòng emitơ (IE) Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (IB) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của JC và

bị trường gia tốc (do JC phân cực ngược) cuốn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC) Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng

điện trong tranzito: IE= IB + IC (1-3)

Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta

định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của tranzito

β thường có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm

Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số:

IE= IB(1+β) (1- 6)

và α =

1

β β

+ (1- 7)

ưu điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng IB là có thể điều khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng

1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito

Gọi IC là dòng colectơ chịu được điện áp bão hoà VCEsat khi tranzito dẫn dòng bão hoà IB= IBbh và khi khoá IB= 0; VCEsat=VCE

+ Mạch trợ giúp tranzito mở

Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở Mạch trợ giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R2), điôt(D2)

Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở

tf: thời gian cần thiết để IC từ giá trị max giảm xuống 0

Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho nên dòng tải = const

Sơ kiện: VCE = 0

IC = I ID = 0 (1- 8) Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng IC giảm xuống không trong khoảng thời gian tf Nếu không có mạch trợ giúp ta có: I = IC + ID = const (1-9)

Khi giảm IC thì ID Tăng lên ngang D1 sẽ làm ngắn mạch tải năng l−ợng tiêu tán bên trong tranzito sẽ là:

.2

f T

Sau thời gian tf tụ C được nạp bằng dòng I, cho đến khi Vc = VCE lúcnày

D1 cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng thái mở là tc

= (1- 13) Trong thực tế người ta chọn C trong khoảng 2tf ≤ tF ≤ 5tf

+ Mạch trợ giúp đóng tranzito

Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D ), điện trở (R ) có chức

L

năng hạn chế sự tăng vọt của dòng IC trong khoảng thời gian đóng Ton của tranzito

Ton: là thời gian cần thiết để VCE giảm từ điện áp nguồn VCC xuống VCE≈ 0 Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là tf

Để chọn L ta chọn thời gian đóng tr trong khoảng: 2ton < tr < 5ton

Điện trở R4 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D5; R4 trong khoảng thời gian tc chuyển sang trạng thái mở của tranzito

Như vậy tc phải thoả mãn điều kiện

4

c

i t R

> (1-15)

Điện trở R5 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch với khoảng thời gian đóng tf

Ta có D6: Tạo mạch đối với xung áp dương đặt vào cực gốc bazơ

D5: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ)

D4: Dùng để chống bão hoà

1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất

+ Mạch khuếch đại

Hình: 1.13: Tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại

- Trong thực tế tranzito thường được làm việc ở chế độ khoá

- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực ghóp bằng không,

tranzito lúc này hở mạch hoàn toàn

- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hoà thì tranzito trở về trạng thái dẫn hoàn toàn

1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito

- Độ khuếch đại dòng điện β

β có trị số thay đổi theo dòng IC Khi dòng IC nhỏ thì β thấp, dòng ICtăng thì β tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hoà thì β giảm

ICmax : là dòng điện tối đa ở cực colectơ

IBmax: là dòng điện tối đa ở cực bazơ

- Điện thế giới hạn

Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ng−ợc tối đa

đặt vào giữa các cặp cực

- Tần số cắt

Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch

đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào

Bảng 1.2 Giới thiệu một số loại tranzito

VCE VCE0 VCE,sat IC I tf ton ts Pm M· hiÖu

850

850

850 1200

1

1

1,2 1,2

1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

0,4 0,3

0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

0,5 0,5 0,7

1

1 1,5 1,5

1,5

1,8 1,3 1,3 1,6

1,2

1,2

2 2,5

3

1,5 1,5

2 3,5 3,5

5

5

250 (50)

1.3 Thyristor

1.3.1 CÊu t¹o

Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện

được điều khiển bằng chất silicum

Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A dương cực, Catode ký hiệu là K âm cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa

J1, J2, J3 là các mặt ghép

Hình 1.14: Thyristor a- Sơ đồ cấu trúc bên trong

b- Ký hiệu c- Các loại thyristor

1.3.2 Nguyên lý làm việc

Tùy theo cách nối của A và K của thyristor với nguồn điện một chiều

mà thyristor có thể được phân áp ngược hay phân áp thuận

Khi phân áp ngược (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dương nguồn) như hình1.15 thì lớp phân cực J2 phân cực thuận (điện trở rất nhỏ) nhưng các lớp tiếp xúc J1 và J3 lại phân cực ngược (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ K sang A Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chảy qua

Khi điện áp ngược tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (Uct) thì thyristor

bị chọc thủng giống như trường hợp của điôt và kết quả là dòng điện ngược tăng lên rất nhanh và mạnh

Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dương nguồn, catôt nối với cực âm nguồn) như hình 1.15 thì các lớp J1 và J3 được phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nhưng lớp J2 lại bị phân cực ngược, có điện trỏ rất lớn Do vậy, trường hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J2 (thuộc góc phần tư thứ I)

Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngược và thuận của một thyristor

Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận, còn thyristor có phân áp thuận cũng chưa dẫn điện Muốn cho thyristor thông khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện Điều kiện gì? Đó là phải cấp một xung áp dương vào cực điều khiển G khi thyristor được phân áp thuận Xung dương điều khiển có thể được tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở Hình 1.16

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor Khi đó, lớp tiếp xúc J3 được phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn Egnên dòng điện qua lớp J3 tăng mạnh Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N2chuyển dịch sang P2 với động năng lớn Một phần về cực G hình thành dòng

điều khiển Ig, phần khác lớn hơn, vượt qua lớp J2 vào N1 rồi qua P1 về nguồn tạo ra dòng Ia Khi các điện tử lớp J2 với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên

tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác Số điện tử mới lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung hòa khác cứ như thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số các phần tử dẫn điện tăng vọt, điện trở trong cùng điện trường rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt Điểm làm việc chuyển từ T1 sang T2 rồi T hình 1.17 Thyristor ở trạng thái thông

Trị số dòng điện Ia phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình: 1.16 dòng Ia phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn)

Khi thyristor thông điện trở trong R13 của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp ΔU13 không đáng kể (không quá 1V)

Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông Nguyên do vì dòng Ia qua lớp J2 sẽ tiếp tục làm điện trở lớp J2 giảm thấp và duy trì sự dẫn điện Qua lớp này từ N1sang P2

Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor

mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT1 trở thành OT’1, OT”1 Thì cần phải

giá trị cực đại cho phép Iđkmax (thường cỡ vài chục đến trên 100mA, tùy loại thyristor) thì đoạn OT1, OT’1, OT”1 trở thành OT2 nghĩa là đặc tính V- A của thyristor sẽ như đặc tính V- A của điôt

Hình 1.17: Đặc tính V- A của thyristor

1.3.3 ứng dụng của thyristor

+ ứng dụng của thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

không có dòng điện qua động cơ Điôt dẫn điện nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR Điện thế cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2, R3

Tụ nạp điện qua R1 và VR với hằng số thời gian là τ = C(R1 + VR)

Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp cho tụ tức là làm thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của Thyistor tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của

1.3.4 Các thông số chủ yếu của thyristor

+ Trị số hiệu dụng định mức của dòng điện anôt I ahd đó là trị số hiệu dụng của dòng điện cực đại cho phép đi qua thyristor trong một thời gian dài khi thyristor mở

Khi thyistor dẫn điện thì VAK= 0,7V nên dòng điện thuận qua thyistor có thể tính theo công thức:

VCC: điện áp qua thyristor

+ Dòng điện điều khiển kích mở I GT là dòng điện điều khiển IG gây mở thyristor

+ Điện áp ng−ợc cực đại U ngmax là điện áp giữa hai cực A và K cho phép đặt thyristor

+ Điện áp rơi định mức Δu a là điện áp giữa hai cực A và K khi thyristor mở

và đồng thời dòng điện bằng dòng điện định mức

+ Thời gian phục hồi tính khoá là thời gian tối thiểu cần thiết để thyristor

phục hồi tính khoá

Bảng 1.3 Thyristor do hãng Toshiba, Nhật Bản chế tạo

1

2 2,5

0,1ữ 0,4 0,1 ữ 0,50,2 ữ 1,60,2 ữ 1,60,2 ữ 1,3

Khi khảo sát đặc tính của triac người ta khảo sát như hai thyristor

+ Khi cực T2 có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì triac dẫn

điện theo chiều từ T2 qua T1 như hình:1.20

+ Khi cực T2 có điện thế âm cực G được kích xung âm thì triac dẫn

điện theo chiều T1 đến T2 như hình: 1.21

c

b)

+ Khi triac được dùng trong mạch xoay chiều công nghiệp khi nguồn ở nửa chu kì dương cực G cần được kích xung dương, còn khi nguồn ở nửa chu kì âm cực G cần được kích xung âm triac cho dòng điện qua được cả hai chiều Hình 1.22

1.4.3 Đặc tính volt-ampe của triac

Triac có đặc tính volt-ampe gồn hai phần đối xứng nhau qua điểm O hai phần này giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau

Hình 1.23: Đặc tính V- A của triac Triac có thể mở trong 4 trường hợp:

UGT1> 0 và UT1T2 > 0

UGT1< 0 và UT1T2 > 0

UGT1> 0 và UT1T2 < 0

UGT1< 0 và UT1T2< 0 Như vậy Triac thể mở theo hai chiều

Chiều thuận từ T2 đến T1 khi UT1T2 > 0 và tác dụng vào cực G một điện

áp dương UGT1 < 0

Chiều thuận từ T1 đến T2 khi UT1T2< 0 và tác dụng vào cực G một điện

áp âm UGT1 < 0

1.4.4 Mạch điều khiển

Để điều khiển được triac ta có sơ đồ như hình 1.24

Hình1.24: Sơ đồ mạch điều khiển triac

Mạch điều khiển gồm 1 biến trở (R) tụ điện C, triac và một điện trở phụ

Rp để giới han dòng điện điều khiển IG, điện áp cấp cho mạch là điện áp xoay chiều hình sin: u= Umsinωt

Giả thiết tại thời điểm ban đầu (ωt=0) tụ điện C đã phóng hết điện, và

điện áp trên nó UC= 0 thì khi u tăng theo chiều dương (u > 0) tụ điện C được nạp điện theo chiều dương qua điện trở R và Uc tăng theo quy luật hàm số mũ

có tốc độ tăng phụ thuộc vào R, điện trở R càng nhỏ thì dòng điện nạp càng lớn và tốc độ tăng của UC càng nhanh

Hình1.25: Dạng sóng của mạch điều khiển

Đồ thị hình 1.25 biểu diễn sự biến thiên của Uc theo ωt tương ứng với giá trị nhất định của R Tại góc pha ϕ0 Uc được nạp bằng điện áp chuyển đổi

Ucđ của triac D Triac D mở, tụ C phóng điện qua Rp, triac D và phần giữa G

và T1 điều đó tạo ra một xung dòng điện IG (đường cong 3 hình 1.25) và mở triac Triac D tiếp tục mở cho đến hết nửa chu kỳ dương của điện áp Ua tại góc pha ωt = π Điện áp u giảm đến 0 dòng điện qua triac Ia cũng giảm đến 0 vì tải thuần trở và u, Ia cùng pha Do đó triac khoá lại sang nửa chu kỳ âm của u Tụ

điện C được nạp theo chiều âm và Uc tăng

Tại góc pha ϕ = ϕ0 + π, điện áp Uc = Ucđ triac D mở tụ điện C phóng

điện qua điện trở Rp chiều dòng điện đi từ cực G của triac D, Rp về nguồn điều

đó tạo ra một xung dòng điện âm IG (đường cong 4 hình 1.25) và mở triac theo chiều từ T1 đến T2 triac tiếp tục mở cho đến hết chu kỳ âm, trong suốt thời gian mở của triac điện áp trên điện trở R1 bằng điện áp Ua (vì khi triac mở

điện áp rơi trên nó rất nhỏ) Do đó điện áp UR trên R1 biến thiên theo ωt (như

đường 5 hình 1.25) từ đó rút ra giá trị hiệu dụng của điện áp uR trên tải R1

2 2

0

12

πωπ

= ∫ (1-18) Trong đó góc mở chậm ϕ0 phụ thuộc vào biến trở R của mạch điều khiển do đó bằng cách thay đổi biến trở R ta có thể thay đổi ϕ0 và thay đổi trị

số UR của điện áp trên tải Rt

0

2

0 0

sin 2 2

1.4.5 ứng dụng của triac

Triac được ứng dụng trong một số mạch, điều chỉnh ánh sáng đèn điện, nhiệt độ lò, điều chỉnh chiều quay và tốc độ động cơ điện một chiều

1.4.6 Các thông số của triac

+ Điện áp định mức U đm: Đó là điện áp cực đại cho phép đặt vào triac theo chiều thuận hoặc chiều ngược trong thời gian dài

+ Dòng điện hiệu dụng định mức I đm: Đó là trị số hiệu dụng đinh mức cực

đại cho phép của dòng điện đi qua triac trong một thời gian dài

+ Dòng điện điều khiển triac: Đó là dòng điện điều khiển IG đảm bảo mở triac

+ Dòng điện duy trì I H: Đó là trị số tối thiểu của dòng điện anôt đi qua triac

để duy trì triac ở trạng thái mở

+ Điện áp rơi trên Triac Δu

Đó là điện áp rơi trên triac khi triac dẫn và dòng điện qua triac bằng dòng định mức

Bảng 1.4: Thông số chính của một vài loại Triac

N¬i chÕ t¹o M· hiÖu U (V) I (A) Ig (mA) Ug (V) Liªn X« (cò) TC- 60

TC- 125 TC- 160

TOSHIBA

NEC

SM2B41 SM12D41 SM150G13 SM300J13 SM300Q13

2AC3T 6AC5F, S 10AC6F, S 16AC6D1 25AC65 70AC10S 300AC12S

2 2,5 2,5 2,5 CHLB §øc BTA41- 200

BTA41- 600 BTA41- 700

Khi VA= VB= 3V, hai điôt DA và DB thông với nguồn E0= +12V qua

điện trở R0, chúng đều có điện áp phân cực thuận, chúng đều dẫn điện VZ=

VA + VD= 3 + 0,7= 3,7V

- Trường hợp 2:

Khi VA= 3V, VB= 0V DA và DB có đầu anôt nối chung Catôt của DB có

điện thế thấp hơn nên chắc chắn dễ dẫn điện hơn Một khi DB đã dẫn điện thì

VZ= VZ- VA= 0,7- 3= -2,3V

Vậy DA chịu phân cực ngược, nó ở trạng thái ngắt hở mạch, không phải dẫn điện như ta tưởng lúc thoạt đầu nhìn vào mạch điện Điện thế VZ= 0,7V gọi là điện thế ghim

- Trường hợp 3:

Khi VA= 0V, VB= 3V Quá trình phân tích tương tự sẽ cho ta kết quả DA

Bảng này biểu thị quan hệ tương ứng các mức điện áp giữa đầu ra với

đầu vào được gọi là bảng chức năng

Quy ước: Mức điện áp cao ứng với mức logic là 1

Mức điện áp thấp ứng với mức logic là 0

+ Bảng chân lý

Trong mạch số, để thuận tiện Thường dùng kí hiệu 1 và 0 biểu thị mức

cao và mức thấp Từ bảng 1.5.1 ta dùng 1 thay thế mức cao, dùng 0 thay thế

mức thấp, dùng A, B thay thế VA, VB, dùng Z thay thế VZ, kết quả thay thế là

Ph©n tÝch t−¬ng tù nh− m¹ch ®iÖn AND , ta xÐt 4 tr−êng hîp kh¸c nhau

ë ®Çu vµo KÕt qu¶ ta ®−îc b¶ng chøc n¨ng 1.7

B¶ng chøc n¨ng ®iÖn ¸p cña m¹ch ®iÖn h×nh: 1.27

Ta thÊy chØ cÇn cã 1 tÝn hiÖu ®Çu vµo ë møc cao th× VZ ë møc cao §ã lµ

quan hÖ Logic OR

B¶ng ch©n lý

Trong cổng NOT tranzito cần làm việc ở chế độ đóng mở Khi V1 ở

mức thấp thì T ngắt hở mạch, V0 ở mức cao Khi V1 ở mức cao thì T thông bão

hoà, V0 ở mức thấp Như vậy mạch có chức năng logic NOT Tác dụng của

nguồn âm là EB là bảo đảm T ngắt hở tin cậy khi V1 ở mức thấp EQ và DQ có

tác dụng giữ mức cao đầu ra ở giá trị quy định Để phân tích nguyên lý công

tác cổng NOT, ta hãy áp dụng phương pháp cơ bản dùng phân tích mạch là:

E B = -12V

giả thiết, tính toán, phân tích, so sánh, kiểm tra, kết quả Bây giờ ta xét tình huống V1= 3,2V và 0.3V

ư

= C C

VDQ < 0,5 nên giả thiết ban đầu là hợp lý

-Khi V 1 = 0,3V

Hình 1.30: Sơ đồ tương đương của mạch

Mạch điện Hình 1.31 Gồm 2 phần: Phần cổng AND bên trái và phần

cổng NOT bên phải Vậy quan hệ đầu ra và đầu vào là NAND (Và- Đảo)

Biểu thức hàm logic của NAND là:

ở đây: Ur0 là điện áp trên tụ C khi t=0 (là hằng số tích phân xác định từ

điều kiện ban đầu)

+

Thường khi t= 0, Uv= 0 và Ur= 0 Nên ta có:

ở đây: τ= RC gọi là hằng số tích phân của mạch Khi tín hiệu vào thay

đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra sẽ bằng:

hệ số khuếch đại của nó tỉ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha

Uvào một góc 900 Thường bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó

Zc= → 0 làm hệ số hồi tiếp âm giảm nên khi sử dụng cần chú ý đặc điểm này

và bổ sung 1 điện trở làm nhụt R1

+

1.8 Bộ ghép quang- opto- Couplers

1.8.1 Đại cương

Trong Anh ngữ bộ ghép quang còn được gọi là Photo coupledisolators, Photo- coulers, Photo- coupled pairs và Optically Coupled Pairs Từ thông thường nhất cho linh kiện này là Opto- Couplers

Bộ ghép quang dùng để cách điện giữa những mạch điện có sự khác biệt

về điện thế khá lớn Ngoài ra nó còn được dùng để tránh các vòng đất (ground circuit, circuit terrestre) gây nhiễu trong mạch điện

1.8.2 Cơ chế hoạt động

Thông thường bộ ghép quang gồm 1 điôt loại GaAs phát ra tia hồng ngoại và một phototranzito với vật liệu Si Với dòng điện thuận, điôt phát ra bức xạ hồng ngoại với chiều dài sóng khoảng 900nm Năng lượng bức xạ này

được chiếu lên trên mặt của phototranzito hay chiếu gián tiếp qua một môi trường dẫn quang Hình 1.38

Hình 1.34: Bộ ghép quang

Đầu tiên tín hiệu được phần phát (LED hồng ngoại) trong bộ ghép quang biến thành tín hiệu ánh sáng Sau đó tín hiệu ánh sáng được phần nhận (Phototriac) biến lại thành tín hiệu điện

Hình 1.35: Phototriac

1.8.3 Tính chất cách điện

Như đã nói, bộ ghép quang thường được dùng để cách điện giữa hai mạch

điện giữa hai mạch điện có điện thế khác biệt khá lớn Bộ ghép quang có thể làm việc với dòng điện một chiều hay với tín hiệu điện có tần số khá cao Đặc biệt với thể tích nhỏ bé, bộ ghép quang tỏ ra ưu việt hơn so với biến thế

+ Điện trở cách điện

Đó là điện trở với dòng điện một chiều giữa ngả vào và ngả ra của bộ ghép quang có trị số bé nhất là 1011 Ω, như thế đủ đáp ứng yêu cầu thông thường Như thế chúng ta cần chú ý, với dòng điện rò trong khoảng nA có thể

ảnh hưởng đến hoạt động của mạch điện, ví dụ khi dòng điện rò chạy vào cực gốc của phototranzito còn để trống Gặp trường hợp này ta có thể tạo những khe trống giữa ngả ra và ngả vào Nói chung với bộ ghép quang ta cần có mạch in loại tốt

+ Điện dung cách điện

Cấu trúc của bộ ghép quang gồm có phototranzito, LED, phần cơ có thể tạo một điện dung từ 0,3 ữ 2pF Điện dung này được đo khi chân ở ngả vào cũng như chân ở ngả ra được nối tắt Với sự thay đổi cao áp khá nhanh (500V/μs) giữa ngả ra và ngả vào, điện dung kí sinh có thể truyền đi sự thay

đổi và xung điện ở ngả ra có những gai nhọn Trong trường hợp này nên sử dụng bộ ghép quang không có chân nối với cực gốc, và giữa cực thu với cực phát nên nối một tụ điện để làm giảm gai nhiễu ở xung ra Để không tạo thêm

điện dung kí sinh, với bộ ghép quang ta không nên dùng chân đế để cắm IC

+ Điện thế cách ly

Điện thế cách ly là điện thế cao nhất mà bộ ghép quang có thể chịu

đựng nổi Điện thế cách ly còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của bộ ghép quang, không khí

1.8.4 Hiệu ứng trường

Dưới một điện thế khá cao giữa LED và phototranzito có khoảng cách khá gần, ta có một điện trường khá lớn Nừu bộ ghép quang làm việc với điều kiện như thế liên tục vài ngày, các thông số của bộ ghép quang (đặc biệt với tranzito) bị thay đổi

Hiệu ứng trường càng rõ ràng hơn với nhiệt độ cao (1000C) và một điện thế một chiều khá cao (1KV) Các thông số như độ khuếch đại, điện áp và dòng điện ngược có thể thay đổi Với một điện trường khá lớn ta có một hiệu ứng giống như với tranzito MOS: có sự đảo điện ở bề mặt

So với tranzito, các thông số của LED rất ổn định dưới tác dụng của

điện trường

Người ta có thể bảo vệ lớp chuyển tiếp pn của tranzito Silicon bằng một màng ion trong suốt để chống lại ảnh hưởng của điện trường (Transparent Ion Shield- Trios) Ví dụ với bộ ghép quang SFH6106

1.8.5 Sự lão hoá

Với thời gian, công suất phát sáng của LED bị giảm đi, do đó ta có hệ

số truyền đạt của một bộ ghép quang bé đi Người ta tránh sự lão hoá của một

bộ ghép quang bằng phương pháp “Burn- in” Sau khi sản xuất các bộ ghép quang được cho làm việc với dòng điện và với nhiệt độ xung quanh khá lớn trong một thời gian (24h) Do đó bộ ghép quang bị lão hoá trước và nó không

bị lão hoá nhanh như các bộ ghép quang chưa qua “Burn- in”

Để cho bộ ghép quang làm việc lâu dài không bị lão hoá quá nhanh, nhiệt độ xung quanh và dòng điện làm việc phải giữ càng thấp càng tốt

1.8.6 Hệ số truyền đạt

Thông số quan trọng nhất của bộ ghép quang là hệ số truyền đạt dòng

điện Hệ số truyền đạt là hệ số tính theo phần trăm cho biết dòng điện ra (của một phototranzito) lớn hơn so với dòng điện vào của LED hồng ngoại trong một bộ ghép quang

1.8.7 Bộ ghép quang với phototriac