Tính toán thay thế bóng điện tử cho lò tôi cao tần

Mục lục Phần 1- Cơ sở lý thuyết Chơng Nguyên lý tạo dao động ứng dụng 1.1 Khái niệm chung phân loại 1.2 HiƯn tỵng céng hëng mạch dao động 1.2.1 Sự phóng nạp tụ điện 1.2.2 M¹ch céng hëng ®iƯn ¸p .7 1.2.3 Mạch cộng hởng dòng điện 1.3 Mạch tạo sóng hình sin .11 1.3.1 Mạch tạo sóng hình sin ngoại kích 11 1.3.2 Mạch tạo sóng hình sin tự kÝch 15 1.4 M¹ch tạo sóng đa hài 21 Chơng Khuếch đại dùng đèn ®iƯn tư .24 2.1 kh¸i niƯm chung 24 2.1.1 Khái niệm khuếch đại .24 2.1.2 Phân loại 25 2.1.3 Thông số mạch khuếch đại 26 2.2 Sơ đồ thực nối dây đèn điện tử mạch khuếch đại 30 2.2.1 Sơ đồ nối dây điện cực .30 2.2.2 Sơ đồ nối dây đèn cực .32 2.3 Các chế độ làm việc ®Ìn 32 2.3.1 Khuếch đại chế độ A (hình 2-7a) .33 2.3.2 Khuếch đại chế độ B (h×nh 2-7b) 33 2.3.3 Khuếch đại chế độ C (hình 2-7c) 34 2.4 Khái niệm khuếch đại ®iƯn ¸p .34 2.5 Mạch khuếch đại điện áp ghép R-C 35 2.5.1 Mạch khuếch đại dùng đèn cùc 35 2.5.2 Mạch khuếch đại dùng đền cực: .37 2.6 Mạch khuếch đại điện áp ghép biÕn ¸p 38 2.7 Håi tiếp mạch khuếch đại 41 2.7.1 Kh¸i niƯm chung 41 2.7.2 TÝnh chÊt mạch khuếch đại có hồi tiếp: 42 2.7.3 Läc håi tiÕp d¬ng 45 2.7.4 Mét sè sơ đồ khuếch đại có hồi tiếp 46 2.8 Tầng khuếch đại công suất đơn 47 Ch¬ng ®Ìn ®iƯn tư cùc .53 3.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt ®éng ®Ìn cùc 53 3.1.1 CÊu t¹o 53 3.1.2 Nguyên lí hoạt động ®Ìn cùc- t¸c dơng cđa líi 53 3.2 Đặc tính tĩnh đèn cực 56 3.2.1 Đặc tính an«t .57 3.2.2 Đặc tính lới 58 3.3 Th«ng sè tÜnh cđa ®Ìn ba cùc .59 3.3.2 Néi trë Ri .60 3.3.3 HÖ sè khuếch đại tĩnh .62 3.4 Tầng khuếch đại đơn giản thông sè ®éng 64 3.4.1 Sù khuÕch ®¹i tÝn hiƯu qua ®Ìn 64 3.4.2 Đặc tính thông số động tổng khuếch đại đơn giản 65 Chơng giới thiệu lò cao tần 72 4.1 Sơ đồ nguyên tắc mạch tạo sóng cung cấp cho lò cao tần 72 4.2 Nguyên tắc làm việc 72 Phần II- Tính toán thiết kế cải tạo lò 74 Cấu tạo thông số đèn 3V-20T đèn Y - 22A 74 1.1 §Ìn 3V-20T 74 1.2 §Ìn Y - 22A 75 TÝnh to¸n m¸y biến áp cấp điện cho nung đèn .75 Nguyên lý cấp nguồn cho sợi nung : 76 TÝnh toán trở kháng vào .77 Phần III điều cần lu ý sư dơng ®Ìn 79 KÕt ln 86 Tài liệu tham khảo .87 PhÇn 1- Cơ sở lý thuyết Chơng Nguyên lý tạo dao động ứng dụng 1.1 Khái niệm chung phân loại Trong kỹ thuật điện tử, ta thờng gặp vấn đề sử dụng nguồn dao động có tần số hình dạng định, nh sóng hình sin (sóng chữ nhật, sóng ca) xung (các nguồn điện áp dòng điện phát khoảng thời gian ngắn, ) Nguồn máy phát điện cung cấp thông thờng có loại: nguồn điện chiều nguồn điện xoay chiều hình sin tần số công nghiệp (50Hz 60 Hz) Vì cần có thiết bị điện tử biến đổi lợng nguồn cung cấp (thờng chiều) thành nguồn dao động, có tần số hình dạng định, gọi thiết bị tạo sóng đợc gọi máy phát dao động Vì tạo sóng thiết bị dùng linh kiện điện tử (đèn điện tử ống bán dẫn), lắp ráp với linh kiện khác thành mạch điện, làm nhiệm vụ biến đổi lợng nguồn chiều hay nguồn xoay chiều tần số công nghệp thành lợng dao động điện Căn theo d¹ng sãng, bé t¹o sãng chia ra: - T¹o sãng hình sin, tạo sóng hình không sin - Tạo sóng liên tục tạo sóng xung Căn theo nguyên lý hoạt động, chia tạo sóng tự kích, bé t¹o sãng ngo¹i kÝch ë bé t¹o sãng ngo¹i kích, dao động kích thích, nguồn dao động phát ra, tạo sóng làm nhiệm vụ biến dao động thành dao động có hình dáng tần số, nhng trị số lớn Nh vậy, tạo sóng ngoại kích thực chất làm nhiệm vụ khuếch đại dao động tạo sóng tự kích, dao động kích thích dùng lợng nguồn cung cấp biến đổi mạch dao động qua mạch khuếch đại, đợc hồi tiếp dơng để kích thích cho đèn làm việc Căn theo đèn sử dơng, bé t¹o sãng chia bé t¹o sãng dïng ®Ìn ®iƯn tư, dïng tranzito, dïng tranzito mét tiÕp gi¸p, dùng tiratrôn Các tạo sóng hình sin công suất nhỏ đợc dùng rộng rÃi kỹ thuật, chẳng hạn dùng thiết bị đo lờng, điều chỉnh, điều khiển tự động điều khiển xa Các tạo sóng hình sin công suất lớn chủ yếu làm nguồn lợng chế biến gia công, chẳng hạn để cung cấp lợng cho lò cảm ứng (là cao tần) lò luyện kim cảm ứng, thiết bị sấy điện tần số cao, thiết bị gia công kim loại sóng siêu âm Các thiết bị tạo sóng không sin tạo xung đợc dùng chủ yếu lĩnh vực chế tạo máy tính điện tử, thiết bị đo lờng, điều khiển xa Các tạo sóng hình sin dựa vào tợng cộng hởng điện áp dòng điện mạch dao động Chính chế độ cộng hởng này, định dao động tạo sóng Trớc vào nghiên cứu mạch tạo sóng, ta xét sơ lợc đặc tính mạch dao động 1.2 Hiện tợng cộng hởng mạch dao động 1.2.1 Sự phóng nạp tụ điện Để khảo sát phóng nạp tụ điện, ta mắc mạch điện nh hình 1-1 đóng cầu dao D phía tụ C bắt đầu nạp điện, mạch có dòng điện icn Điện tích đợc nạp vào hai cực tụ điện C tạo nên điện áp Uc đặt vào đầu tụ điện Gọi điện tích đặt vaò tụ điện qc, ta có: qc = C.Uc (1.1) Dòng điện mạch tỷ số số gia điện tích d qc thời gian ®ã dq icn = d t = q’c (1.2) H×nh 1-1 Sơ đồ mạch điện (a), đờng cong dòng, áp nạp (b), phóng (c) tụ điện Nh dòng điện đạo hàm điện tích theo thêi gian BiÕt C coi nh h»ng sè, ta cã: dU d (C U c )=C c =C U 'c dt dt icn = (1.3) Theo định luật kiếc hốp II, điện áp nguồn U cân với điện áp đặt vào điện trở tụ điện: U=R i cn +U c=R1 C U 'c +U c (1.4) Phơng trình 1.4 phơng trình vi phân cấp với U c Giả thiết trớc lúc dòng điện, điện áp tụ Uc(o) = Thì nghiệm 1.4 có dạng: U c =U (1e t R.C ) (1.5) R.C = T, gọi số thời gian nạp điện Đồ thị dòng điện áp vẽ hình 1.1b Dòng điện nạp tính theo 1.3 cách lấy đạo hàm 1.5 råi thay vµo 1.3: i cn=C U 'c=C U ( −t /R C −t / R C U t / R C −e )= e =I o e R1 C R1 (1.6) I o= U R1 giá trị ban đầu dòng nạp hàm tắt dần, với tốc độ tắt phụ thuộc vào sè thêi gian cđa m¹ch n¹p T1 = R1.C Khi thời gian tiến dần vô i cn Uc đạt tới giá trị ổn định, I ođ t/T Uođ Lúc đó: e dần tới 0, thay vào 1.5 1.6, ta có: Iođ = Uođ = U Thời gian cần để dòng áp đạt tới giá trị ổn định gọi thời gian nạp điện Về lý thuyết, thời gian nạp điện coi vô cùng, nhng thực tế t= 5.T1 thì: −1/T e =e−5 = ¿ , 01 e Thay 1.5 vµ 1.6 ta cã: U c (t=5.T )=U (1−0, 01)=0 , 99 U i cn (t=5 T )=0 ,01 I Nh vËy cã thĨ coi thêi gian n¹p tn = 5.T1 (1.7) H»ng số thời gian dài thời gian nạp lớn Sau tụ nạp đầy, cầu dao đóng sang phÝa tơ C sÏ phãng ®iƯn qua ®iƯn trở R2 Dòng điện phóng icp qua mạch làm giảm điện tích hai cực điện áp tụ giảm dần ta thấy chiều dòng điện phóng ngợc với nạp áp dụng định luật kiếc hốp II cho mạch vòng: Uc + icp.R2 = (1.8) Cũng nh trên, dòng điện đạo hàm điện tÝch theo thêi gian: i cp= dq cn dU =C c =C U 'c dt dt (1.9) ' U c +C U c R2 =0 Tõ ®ã: Gọi điện áp ban đầu tụ Uo nghiƯm cđa 1.10 sÏ lµ: − U c =U o e t R2 C − =U o e t T e (1.10) (1.11) Thay vµo 1.8: t t − U o − T2 T i cp=− e =I o e R2 (1.12) Đồ thị Uc icp phóng điện vẽ hình 1.1c đây, icp mang dấu âm chiều ngợc với chiều dơng điện áp Uc Sau phãng ®iƯn kÕt thóc ta cã: Uo® = Io® = Thêi gian phãng = 5.T2, víi T2 lµ số thời gian mạch phóng điện T2 = R2.C Tổng quát, số thời gian mạch có tơ ®iƯn – ®iƯn trë nèi tiÕp: T = R.C (1.13) 1.2.2 Mạch cộng hởng điện áp Nối tiếp cuộn điện cảm L với điện dung đặt vào nguồn có sức điện động xoay chiều En, có tần số f biến đổi đợc (hình 1-2a) ta có mạch cộng hởng điện áp mạch lý tởng điện trở R = 0, mạch thực tế tồn điện trở R đặc trng cho điện trở dây dẫn, cuộn dây, nguồn điện tổn hao tụ điện Hình 1- Sơ đồ mạch cộng hởng điện áp (a) đồ thị mạch hởng (b) Cảm kháng cuộn L: XL = 2..f Tû lƯ bËc nhÊt víi tÇn sè f Dung kháng tụ điện: Tỷ lệ nghịch với tần số f Điện kháng chung mạch: (1.14) XC = 2.π f C (1.15) 2.π f C Y = XL – XC = (1.16) §iƯn trë cđa mạch coi nh không phụ thuộc vào tần số f, ta bỏ qua hiệu ứng mặt Tổng trở cđa m¹ch: π f L− ) f C Z= (1.17) Dựa vào quan hệ từ 1.14 đến 1.17 ta vẽ đợc đờng cong trở kháng theo tần số nh hình 1-2 Các đờng đợc gọi đờng đặc tính tần số trở kháng Qua đặc tính tần số, ta thấy có đặc điểm đặc biệt f = fo, ta cã: √ R 2+X 2= √ R2+( X L− X C )= √ R2 +(2 π f L− XL = XC hay 2..fo.L = 2.π f o C Xch = XL - XC = Zch = R = Zmin (1.18) (1.19) Tæng trở Z lúc đạt giá trị cực đại điện trở mạch Đó trạng thái cộng hởng nối tiếp hay cộng hởng điện áp Tần số fo gọi tần số dao dộng riêng mạch Tõ (1.18) ta cã: fo = 2.π √ L.C (1.21) Nghĩa tần số riêng phụ thuộc vào L C thông số riêng mạch Điều kiện cộng hởng tần số nguồn điện tần số riêng mạch Dòng điện m¹ch: En E = Z √ R2 +(2 π f L−2 π f C )2 I= (1.22) Điện áp dáng thành phần ®iƯn trë, ®iƯn c¶m, ®iƯn dung: UR = I.R (1.23) UL = I.XL = I.2..f.L (1.24) I UC = I.XC = 2. f C (1.25) Khi cộng hởng dòng điện mạch cực đại, tổng trở đạt cực tiểu: E n En = =I max Z ch R Ich = (1.26) Lúc điện áp đặt vào điện trở điện áp nguồn: XL UchL = Ich.XL = En R XC UchC = Ich.XC = En R XL Đặt: q= R = (1.27) XC π f o L = = R R π f o C R (1.28) Vµ gäi lµ hƯ sè phÈm chÊt, ta sÏ cã: UL.ch = UC.ch = q.En (1.29) Tõ 1.27 vµ 1.29 ta thÊy, có cộng hởng điện áp thành đạt điện áp điện trở điện áp nguồn Chính nhờ tính chất mà mạch cộng hởng có nhiều ứng dụng mạch điện tử nói chung, mạch tạo sóng nói riêng Đồ thị biến thiên dòng áp theo tần số vẽ hình 1.2c Ta thấy thực tế, cực đại UL UC không giá trị f = f o mà lệch chút hai phía Đó ảnh hởng điện trở R Chất lợng mạch cộng hởng định hệ số q Hệ số lớn tợng cộng hởng thể mạnh 1.2.3 Mạch cộng hởng dòng điện Mạch cộng hởng dòng điện gồm điện cảm L tụ điện C mắc song với đặt vào nguồn điện áp xoay chiều En, tần số f (H 1.3a) Vì cuộn cảm tụ điện, điện trở R mắc song song với chúng để đặc trng cho tiêu thụ lợng (Hình 1-3d) Hình 1-3 Mạch cộng hởng dòng điện (a, b) đồ thị mạch (c, d) Điện dẫn mạch điện trở: g = R (1.30) Không phụ thuộc vào tần số f Điện dẫn phản kháng mạch điện cảm: I = 2. f L bL = X L (1.31) Tỷ lệ nghịch với tần số Điện dẫn mạch điện dung : I = 2.π f C bC = X C (1.32) Tû lệ thuận với tần số Dẫn nạp mạch: )2 2. f L Y= (1.33) Đờng đặc tính tần số điện dẫn vẽ hình 1.3c nh trớc, ta thấy trạng thái mạch xảy bL = bC hay: I =2 π f o L 2. f , L (1.34) Từ đó, xác định đợc tần số cộng hởng, tức tần số riêng mạch dao động, tơng tự nh trớc đây: √ g 2+(bc −b L )= √ g +(2 π f C− I fo = 2.π L.C (1.34b) Khi xảy công hởng, dẫn nạp mạch đạt cực tiểu điện dẫn điện trë: Ych = g = 1/R = Ymin (1.35) Do đó, dòng điện mạch chung đạt cực tiểu dòng điện tác dụng (dòng điện qua điện trë) E I ch=E Y ch= =I R=I R (1-36) Dòng điện mạch điện cảm điện dung nhau, gấp q lần dòng điện m¹ch chung: I Lch=I Cch =E b L =E g bL E = q=q I R g R (1-37) q hệ số phẩm chất mạch dao động: q= Y L YC R = = =R π fC g g π fL (1-38) Tổng trở tơng đơng mạch dao động nghịch đảo tổng dẫn: 1 Z= = Y √ g +(Y −Y )2 L C (1-39) Khi cộng hởng, Ych=Ymin Zch=Zmax Giả sử ta có mạch dao động LC nối tiếp với tổng trở Z, đặt vào nguồn tín hiệu gồm nhiều sóng điều hoà có tần số khác nhau, ta cần lấy tín hiệu E, có tần số f (Hình 1-4) Điều chỉnh tụ C để tần số riêng f0=f Lúc mạch dao động trạng thái cộng hởng Đối với tín hiƯu Eu, tÇn sè f NÕu bá qua tỉn hao coi g=0 Y ch=0, Zch=0, tức mạch coi nh hở I điện áp E coi nh đặt toàn vào mạch dao động Kết từ đầu mạch dao động ta lấy đợc Uch=En tín hiệu mạnh Còn tín hiệu có tần số khác tần số f không trạng thái cộng hởng, nên chủ yếu sụt áp tổng trở Z, tín hiệu lấy trạng thái cộng hởng không đáng kể bỏ qua Đó nguyên tắc chọn lọc sóng lọc sóng mạch dao động Hình 1-4 Mạch dao động lọc tín hiệu Nh vậy, mạch dao động LC có tác dụng chọn lọc tần số Tổng trở Z tổng dẫn Y hàm tần số , đạt cực trị = với 0=2f0 tần số riêng mạch, tính theo (1-21) (1-34b) Nếu L-C mắc nối tiếp = 0, tổng trở Z có trị số cực tiểu đổi dấu qua điểm Do Z đạt min, nên dòng điện mạch cực tiểu, đồng thời thành phần điện áp phần tử R, L đạt cực đại Nếu L-C mắc song song = 0, tổng dẫn Y đạt min, điện dẫn phản kháng b đổi dấu qua điểm Do Y đạt min, nên dòng điện mạch cực tiểu nhng dòng điện qua phần tử R, L, C đạt cực đại 1.3 Mạch tạo sóng hình sin 1.3.1 Mạch tạo sóng hình sin ngoại kích 1.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 1-5 Sơ đồ (a) đờng đặc tính động (b) mạch tạo sóng hình sin ngoại kích Hình 1.5a vẽ sơ đồ nguyên tắc mạch tạo sóng hình sin ngoại kích dùng đèn điện tử cực Nguồn Ucn nguồn tín hiệu áp lới Tín hiệu kích thích Uv đặt đầu vào sóng hình sin có tần số =2f : Uv = Uvm.sint mạch anốt ngời ta dùng mạch dao động L 1C tải cho đèn.Tín hiệu lấy từ mạch dao động đợc ghép hỗ cảm qua cuộn L2 để đa tải Rt Để nâng cao hiệu suất mạch tạo sóng, ngời ta thờng cho đèn làm việc chế độ B C Gọi góc cắt tín hiệu (Hình 1-5b) Thì chu kì tín hiệu dòng điện ia tồn khoảng nửa chu kì dơng Nh ta đợc tín hiệu anốt sóng xung hình sin Dùng phơng pháp Furiê, ta phân tích dòng điện không hình sin ia thành tổng dòng điện chiều I0 sóng điều hoà (hình sin), tần số lần lợt , 2, 3: i= Ia0 +I1sint +I2sin2t + (1.40) mạch dao động ta điều chỉnh tụ C để cộng hởng với tần số, f0 =f mạch ta lấy đợc thành phần hình sin với tần số i1=I1msint=I1msin2ft, sóng bậc cao lệch cộng hởng, nên đợc lọc khỏi tín hiệu ra, thành phần chiều Ia0 không cảm ứng qua L2 Nh vậy, mạch dao động LC có tÇn sè f 0, b»ng tÇn sè ngn tÝn hiƯu vào Uv , ta lấy đợc sóng hình sin tần số, làm việc chế độ B hay C Đó đặc điểm khác mạch tạo sóng ngoại kích với mạch khuếch đại thông thờng Đây mạch khuếch đại đặc biệt Tỷ số biên độ sóng thành phần với biên độ sóng tổng gọi quan hệ phân tích i Ta chứng minh đợc công thøc sau b»ng Furiª: Ia0 sin θ−θ cosθ 0= I a = π (1−cosθ ) (1.41) 1