ỨNG DỤNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA THIẾT KẾ MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU - Full 10 điểm

UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH -----  ----- LÊ XUÂN AN ỨNG DỤNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA THIẾT KẾ MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Qu ả ng Nam, tháng 5 n ă m 2017 UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH -----  ----- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: ỨNG DỤNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA THIẾT KẾ MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU Sinh viên thực hiện LÊ XUÂN AN MSSV: 2113010201 CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÍ KHÓA 2013 – 2017 Cán bộ hướng dẫn ThS BÙI XUÂN DIỆU Qu ả ng Nam, tháng 5 n ă m 2017 L Ờ I C Ả M Ơ N Khóa lu ậ n này đượ c th ự c hi ệ n t ạ i khoa lý hóa sinh c ủ a Tr ườ ng Đạ i H ọ c Qu ả ng Nam d ướ i s ự h ướ ng d ẫ n c ủ a th ầ y giáo ThS Bùi Xuân Di ệ u Em xin bày t ỏ lòng bi ế t ơ n sâu s ắ c đế n th ầ y, ng ườ i đ ã t ậ n tình d ạ y d ỗ , h ướ ng d ẫ n, giúp đỡ em b ằ ng t ấ t c ả t ấ m lòng chân tình và tinh th ầ n trách nhi ệ m c ủ a mình trong quá trình h ọ c t ậ p và th ự c hi ệ n khóa lu ậ n này Trong su ố t th ờ i gian h ọ c t ậ p t ạ i tr ườ ng Đạ i H ọ c Qu ả ng Nam Ban giám hi ệ u nhà tr ườ ng, khoa lý- hóa- sinh đ ã t ạ o đ i ề u ki ệ n cho em h ọ c t ậ p c ũ ng nh ư toàn th ể các Th ầ y Cô đ ã t ậ n tình gi ả ng d ạ y truy ề n đạ t kh ố i ki ế n th ứ c và kinh nghi ệ m quý báu cho chúng em để làm hành trang v ữ ng ch ắ c đầ y t ự tin khi b ướ c vào đờ i Để bày t ỏ lòng bi ế t ơ n sâu s ắ c em xin chân thành c ả m ơ n t ấ t c ả Quý Th ầ y Cô ` Trong quá trình hoàn thành khóa lu ậ n t ố t nghi ệ p không tránh kh ỏ i nh ữ ng sai sót, r ấ t mong các Th ầ y, Cô b ỏ qua Đồ ng th ờ i do trình độ lí lu ậ n c ũ ng nh ư kinh nghi ệ m th ự c ti ễ n còn h ạ n ch ế nên r ấ t mong nh ậ n đượ c ý ki ế n đ óng góp c ủ a Quý Th ầ y Cô để bài khóa lu ậ n c ủ a em đượ c hoàn thi ệ n h ơ n Cu ố i cùng, em xin dành t ấ t c ả tình c ả m sâu s ắ c nh ấ t t ớ i gia đ ình, b ạ n bè đ ã độ ng viên, giúp đỡ , chia s ẻ , h ỗ tr ợ em v ề m ặ t tinh th ầ n c ũ ng nh ư v ậ t ch ấ t trong su ố t th ờ i gian em h ọ c t ậ p và hoàn thành khóa lu ậ n này Tam k ỳ , tháng 4 n ă m 2017 Sinh viên th ự c hi ệ n khóa lu ậ n Lê Xuân An L Ờ I CAM Đ OAN Qua quá trình nghiên c ứ u khóa lu ậ n v ề đề tài “ Ứ ng d ụ ng m ạ ch ngh ị ch l ư u m ộ t pha để thi ế t k ế mô hình bi ế n đổ i DC- AC” tôi đ ã ti ế p c ậ n đượ c m ộ t trong l ĩ nh v ự c hi ệ n đạ i hi ệ n nay Tôi xin cam đ oan khóa lu ậ n này đượ c hoàn thành là do s ự c ố g ắ ng tìm hi ể u nghiên c ứ u c ủ a b ả n thân cùng v ớ i s ự h ướ ng d ẫ n t ậ n tình và hi ệ u qu ả c ủ a ThS Bùi Xuân Di ệ u Tôi xin ch ị u hoàn toàn trách nhi ệ m v ề l ờ i cam đ oan này! Tam k ỳ , tháng 4 n ă m 2017 Sinh viên th ự c hi ệ n khóa lu ậ n Lê Xuân An MỤC LỤC PHẦN I MỞ ĐẦU 1 1 1 Lí do chọn đề tài 1 1 2 Mục đích nghiên cứu 1 1 3 Mục tiêu nghiên cứu 1 1 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1 5 Phương pháp nghiên cứu 2 1 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1 7 Lịch sử nghiên cứu 2 1 8 Cấu trúc của đề tài 2 PHẦN II NỘI DUNG 4 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 4 1 1 Điện trở 4 1 1 1 Các thông số của điện trở 4 1 1 2 Phân loại và ký hiệu điện trở 5 1 1 3 Cách ghi và đọc tham số điện trở 6 1 1 4 Cách mắc điện trở 8 1 1 5 Công suất của điện trở 8 1 2 Tụ điện 9 1 2 1 Khái niệm, cấu tạo 9 1 2 2 Hình dáng thực tế của tụ điện 9 1 2 3 Điện dung , đơn vị và ký hiệu của tụ điện 9 1 2 4 Sự phóng nạp của tụ điện … 10 1 2 5 Cách đọc giá trị điện dung trên tụ điện… …… 11 1 2 6 Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ 11 1 2 7 Phân loại tụ điện 11 1 2 8 Ứng dụng của tụ điện 12 1 4 Trasistor lưỡng cực (BJT) 14 1 5 Giới thiệu về IC chuyên dụng sử dụng trong mạch 21 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT MẠCH NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA 26 2 1 Giới thiệu về nghịch lưu độc lập 26 2 2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha 26 2 2 1 Nghịch lưu nguồn áp 26 2 2 2 Nghịch lưu nguồn áp một pha 27 2 3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 29 2 3 1 Giới thiệu PWM 29 2 3 2 Phương pháp điều khiển PWM 30 2 3 3 Các cách để tạo ra được PWM để điềukhiển 33 2 3 3 1 Tạo bằng phương pháp sosánh 34 2 3 3 3 Tạo xung vuông bằng phần mềm 35 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC- AC TỪ 12VDC SANG 220VAC TẦN SỐ 50 Hz 36 3 1 Tính toán mạch nghịch lưu 36 3 1 1 Tính toán linh kiện điện tử 36 3 1 2 Tính toán biến áp động lực 36 3 2 Linh kiện sử dụng trong mạch 37 3 2 1 Điện trở, biến trở 37 3 2 2 Tụ điện 39 3 2 3 Transistor H1061 39 3 2 4 Transistor D718 41 3 2 5 IC CD4047BC 42 3 3 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động 44 3 3 1 Sơ đồ khối của nghịch lưu 44 3 3 2 Chức năng các khối 44 3 3 3 Phương pháp PWM của IC4047 45 3 4 Ứng dụng phần mềm proteus mô phỏng mạch điện 49 3 5 Tín hiệu đo được bằng máy hiện sóng Oscilloscope 52 3 6 Mạch đã hoàn thiện 53 3 7 Ứng dụng của mạch nghịch lưu trong thực tiễn 53 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 PHẦN IV: TƯ LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 1: Ký hiệu của điện trở trong mạch điện 4 Hình 1 2: Bảng màu điện trở 7 Hình 1 3: Cách đọc điện trở màu 7 Hình 1 4: Điện trở mắc nối tiếp 8 Hình 1 5: Điện trở mắc song song 8 Hình 1 6: Hình dạng của tụ điện 9 Hình 1 7: Ký hiệu của tụ điện trên sơ đồ nguyên lý 10 Hình 1 8: Minh hoạ về tính chất phóng nạp của tụ điện 10 Hình 1 9: Cách đọc trị số tụ giất và tụ gốm 11 Hình 1 10: Hình ảnh tụ xoay- tụ gốm- tụ hóa 12 Hình 1 11: (a) Mạng tinh thể Ge loại N 13 (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại N 13 Hình 1 12 : (a) Mạng tinh thể Ge loại P 13 (b)Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại P 13 Hình 1 13 : Tiếp xúc P-N 14 Hình 1 14: (a )Transistor NPN và kí hiệu 14 Hình 1 15: (b )Transistor PNP và kí hiệu 15 Hình 1 16: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP 15 Hình 1 17: Sơ đồ mạch điện ở chế độ khóa điện tử của transistor loại NPN 17 Hình 1 18: Mạch điện ở chế độ khuếch đại của transistor loại NPN 18 Hình 1 19: (a) Đặc tuyến ngõ vào 19 Hình 1 20: (b) Đặc tuyến ngõ ra 19 Hình 1 21: (c ) Đặc tuyến truyền 20 Hình 1 30: (a) Hình mắc Emitter chung 20 Hình 1 22: (b) Hình mắc Bazơ chung 20 Hình 1 23: (c) Hình mắc Collector chung 21 Hình 1 24: Sơ đồ khối của IC 4047 22 Hình 1 25: Sơ đồ logic của IC CD4047BC 23 Hình 1 26: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC chuyên dụng 24 Hình 2 1 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha 28 Hình 2 2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha 28 Hình 2 3 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 29 Hình 2 4 Luật điều khiển 31 Hình 2 5 Sơ đồ khối bộ điều khiển các van của PWM 32 Hình 2 6 Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực 32 Hình 2 7 Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực 33 Hình 2 8 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 34 Hình 3 1: Sơ đồ biến áp động lực 36 Hình 3 2: Hình dáng và ký hiệu của điện trở 1K Ohm 38 Hình 3 3: Hình dáng và ký hiệu của điện trở 4 7K Ohm 38 Hình 3 4: Hình dáng và ký hiệu của biến trở 100K Ohm 39 Hình 3 5: Hình dáng và kí hiệu của tụ hóa 0 1 F  39 Hình 3 6: Hình dáng và kí hiệu của H1061 39 Hình 3 7: Sơ đồ chân Transistor H1061 40 Hình 3 8: Hình dáng và kí hiệu của D718 41 Hình 3 9: Sơ đồ chân Transistor D718 41 Hình 3 10: Hình dáng và kí hiệu của IC 4047 42 Hình 3 11: Sơ đồ chân của IC CD4047 43 Hình 3 12: Sơ đồ khối của mạch nghịch lưu 44 Hình 3 13: Mạch nguyên lí tạo xung vuông 45 Hình 3 14: Sơ đồ xung vuông đầu ra 46 Hình 3 15: Sơ đồ toàn mạch 47 Hình 3 16: Sơ đồ chi tiết 48 Hình 3 17: Giới thiệu giao diện phần mềm Proteus 8 4 50 Hình 3 18: Tín hiệu xung ra mô phỏng bằng phần mềm PROTEUS 8 51 Hinh 3 19: Dạng điện áp ra của mạch đã thi công 52 Hình 3 20: Mạch sau khi thi công 53 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3 1: Bảng thông số và điều kiện hoạt động của H1061 37 Bảng 3 2: Bảng thông số và điều kiện hoạt động 39 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa BJT Bipolar Junction Transistor DC- AC Direct Current- Alternating Current GTO Gate turn-off thyristor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LCD Liquid crystal display PWM Pulse Width Modulation 1 PHẦN I MỞ ĐẦU 1 1 Lí do chọn đề tài Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn, công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dung các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị chiếu sáng,… Như ta đã biết việc tạo ra dòng điện là bước tiến vĩ đại trong lịch sử loài người Để sản xuất ra dòng điện xoay chiều có rất nhiều phương pháp như thủy điện, nhiệt điện,… Mà trong nhiều ứng dụng người ta sử dụng nguồn một chiều có nghịch lưu để tạo ra dòng điện xoay chiều Các bộ nghịch lưu có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, nó được sử dụng để biến đổi các nguồn một chiều có điện áp thấp như Ác quy, pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu thành dòng điện xoay chiều phục vụ cho thiết bị dân dụng Trong thời gian học tập ngành Vật lý ở trường tôi có tìm hiểu ,nghiên cứu về mạch nghịch lưu và những ứng dụng thực tế của nó trong cuộc sống Để hiểu rõ hơn và nắm được nguyên lí về mạch nghịch lưu tôi đã chọn đề tài “ Ứng dụng mạch nghịch lưu một pha để thiết kế mô hình biến đổi dòng điện một chiều sang xoay chiều ” 1 2 Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài nhằm hiểu rõ cấu tạo và chức năng của các linh kiện điện tử từ đó thiết kế mô hình biến đổi DC- AC phục vụ thực tiễn 1 3 Mục tiêu nghiên cứu Dựa vào mục đích nghiên cứu, đề tài gồm những mục tiêu cụ thể: Tìm hiểu mạch nghịch lưu một pha Sử dụng các linh kiện bán dẫn để thiết kế mô hình biến đổi DC- AC Tính toán thiết kế biến áp nghịch lưu Ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha trong thực tế 2 1 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lý thuyết mạch nghịch lưu một pha và mô hình biến đổi DC-AC Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được thực hiện trong thời gian từ 12/ 2016 đến 4/ 2017 Tìm hiểu tổng quan lý thuyết về mạch nghịch lưu một pha và tìm hiểu mô hình biến đổi DC- AC trong thực tế 1 5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng thực nghiệm Phương pháp thực hành lắp mạch thực tế 1 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Để giúp sinh viên củng cố và nâng cao hiểu biết về Vật lí chuyên ngành và kiến thức thực tế Những kết quả nghiên cứu sau khi hoàn thành khóa luận này trước tiên là giúp sinh viên hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổi điện áp từ đó tích lũy được kiến thức áp dụng cho sau này Mặt khác, qua mô hình mạch biến đổi DC- AC có thể phát triển thành các mô hình biến đổi cao hơn cung cấp cho các tải xoay chiều dân dụng và công nghiệp, ứng dụng khi mất điện lưới,… 1 7 Lịch sử nghiên cứu Đã có nhiều bài nghiên cứu về mạch nghịch lưu một pha và ứng dụng của nó vào thực tiễn từ trước đến nay như “ thiết kế mạch nghịch lưu một pha sử dụng IC4047, TL494, ” Với đề tài của mình tôi tiếp tục kế thừa cơ sở lí luận của các bài trước và xây dựng mô hình nghịch lưu cho mình 1 8 Cấu trúc của đề tài Phần I Mở đầu Phần II Nội dung nghiên cứu Chương 1: Khái quát lý thuyết về các linh kiện điện tử 3 Chương 2: Lý thuyết mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Chương 3:Thiết kế bộ biến đổi DC- AC từ 12VDC sang 220VAC tần số 50Hz Phần III Kết luận và kiến nghị Phần IV Tư liệu tham khảo 4 PHẦN II NỘI DUNG CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1 1 Điện trở Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn 1 1 1 Các thông số của điện trở Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở Yêu cầu cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian, Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ Hình 1 1: Ký hiệu của điện trở trong mạch điện Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau: R = ρ L / S, Trong đó : ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu L là chiều dài dây dẫn S là tiết diện dây dẫn R là điện trở đơn vị là Ohm 5 Trong thực tế điện trở được sản xuất với một số thang giá trị xác định Khi tính toán lý thuyết thiết kế mạch điện, cần chọn thang điện trở gần nhất với giá trị được tính Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị danh định, được tính theo phần trăm Khi có dòng điện cường độ I chạy qua điện trở R, năng lượng nhiệt tỏa ra trên R với công suất: P = U I = I 2 R Nếu dòng điện có cường độ càng lớn thì nhiệt lượng tiêu thụ trên R càng lớn làm cho điện trở càng nóng, do đó cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để có thể tản nhiệt tốt Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt Pmax = U 2 max/R = I 2 max R 1 1 2 Phân loại và ký hiệu điện trở Điện trở có giá trị xác định: Điện trở than ép (cacbon film): Điện trở than ép có dải giá trị tương đối rộng (1Ω đến 100MΩ), công suất danh định 1/8W – 2W, phần lớn có công suất là 1/4W hoặc 1/2W Ưu điển nổi bật của điện trở than ép đó chính là có tính thuần trở nên được sử dụng nhiều trong phạm vi tần số thấp Điện trở dây quấn được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải là chất dẫn điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ Trở kháng phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn Điện trở dây quấn có giá trị nhỏ, độ chính xác cao và có công suất nhiệt lớn Tuy nhiên nhược điểm của điện trở dây quấn là nó có tính chất điện cảm nên không được sử dụng trong các mạch cao tần mà được ứng dụng nhiều trong các mạch âm tần Điện trở màng mỏng: Được sản xuất bằng cáchlắng đọng Cacbon, kim loại hoặc oxide kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ Điện trở màng mỏng có giá trị từ thấp đến trung bình, và có thể thấy rõ một ưu điểm nổi bật của điện trở màng mỏng đó là tính chất thuần trở nên được sử dụng trong phạm vi tần số cao, tuy nhiên có công suất nhiệt thấp và giá thành cao 6 Điện trở có giá trị thay đổi: Biến trở( Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt Con trượt tiếp xúc động với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyển điện trở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi Biến trở được sử dụng điều khiển điện áp ( potentiometer: chiết áp) hoặc điều khiển cường độ dòng điện ( Rheostat) Nhiệt trở: Là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ Có 2 loại nhiệt trở: Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm: Giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (NTC), thông thường các chất bán dẫn có hệ số nhiệt âm do khi nhiệt độ tăng cung cấp đủ năng lượng cho các electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn nên số lượng hạt dẫn tăng đáng kể, ngoài ra tốc độ dịch chuyển của hạt dẫn cũng tăng nên giá trị điện trở giảm Nhiệt trở có hệ số nhiệt dương: Giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, các nhiệt trở được làm bằng kim loại có hệ số nhiệt dương (PTC) do khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử nút mạng dao động mạnh làm cản trở quá trình di chuyển của electron nên giá trị điện trở tăng Nhiệt trở được sử dụng để điều khiển cường độ dòng điện, đo hoặc điều khiển nhiệt độ: ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại, đặc biệt là tầng khuếch đại công suất hoặc là linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ Quang trở:Quang trở là linh kiện nhạy cảm với bức xạ điện từ quanh phổ ánh sáng nhìn thấy Quang trở có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó Cường độ ánh sáng càng mạnh thì giá trị điện trở càng giảm và ngược lại Quang trở thường được sử dụng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng: (Phát hiện người vào cửa tự động; Điều chỉnh độ sáng, độ nét ở Camera; Tự động bật đèn khi trời tối; Điều chỉnh độ nét của LCD; 1 1 3 Cách ghi và đọc tham số điện trở Quy ước màu Quốc tế 7 Hình 1 2: Bảng màu điện trở Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu , điện trở chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng mầu Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu : Hình 1 3: Cách đọc điện trở màu Đối với điện trở 4 màu : 3 vạch giá trị thì 2 vạch đầu đọc là 2 số, vạch thứ 3 là vạch mũ Giá trị của điện trở bằng: 2 vạch 1 0 mũ vạch 3 Vạch thứ 4 là sai số Đối với điện trở 5 vạch và 6 vạch : 3 vạch đầu đọc liền nhau là giá trị điện trở, 8 vạch thứ 4 là mũ, vạch thứ 5 là sai số Giá trị của điện trở bằng: 3 vạch 10 mũ vạch 4 Vạch thứ 5 là sai số Đối với điện trở dán(chip-resistor): Giá trị của điện trở bằng: 2 số đầu 10 mũ số thứ 3 1 1 4 Cách mắc điện trở Mắc kiểu nối tiếp 2 điện trở R1 và R2 được một điện trở tương đương R: R = R1+R2 Hình 1 4: Điện trở mắc nối tiếp Mắc kiểu song song 2 điện trở được một điện trở tương đương R: R 1 = 1 1 R + 2 1 R Hình 1 5: Điện trở mắc song song 1 1 5 Công suất của điện trở Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công suất P tính được theo công thức : R 2 2 I R U UI P    Theo công thức trên ta thấy, công suất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở Công suất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trước khi lắp điện trở vào mạch R1 180R R2 180R R3 10k R4 10k 9 Nếu đem một điện trở có công suất danh định nhỏ hơn công suất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công suất danh định > = 2 lần công suất mà nó sẽ tiêu thụ 1 2 Tụ điện Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu mạch truyền tín hiệu, mạch dao động… 1 2 1 Khái niệm, cấu tạo Tụ điện là linh kiện dung để cản trở và phóng nạp khi cần thiết và được đặc trưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá 1 2 2 Hình dáng thực tế của tụ điện Hình dạng của tụ gốm Hình dạng của tụ hoá Hình 1 6: Hình dạng của tụ điện 1 2 3 Điện dung, đơn vị và ký hiệu của tụ điện Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức 10 C = ξ S / d Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện d : là chiều dày của lớp cách điện S : là diện tích bản cực của tụ điện Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (μF) , NanoFara (nF), PicoFara (pF) Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor) Hình 1 7: Ký hiệu của tụ điện trên sơ đồ nguyên lý 1 2 4 Sự phóng nạp của tụ điện Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của tụ , nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều Hình 1 8: Minh hoạ về tính chất phóng nạp của tụ điện Tụ nạp điện : Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt 11 Tụ phóng điện : Khi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc K1 mở, công tắc K2 đóng thì dòng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt => Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn lóe sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu 1 2 5 Cách đọc giá trị điện dung trên tụ điện Với tụ hoá : Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ=> Tụ hoá là tụ có phân cực (-) , (+) và luôn luôn có hình trụ Với tụ giấy , tụ gốm : Tụ giấy và tụ gốm có trị số ghi bằng ký hiệu Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10 (Mũ số thứ 3 ) Thực hành đọc trị số của tụ điện Hình 1 9: Cách đọc trị số tụ giất và tụ gốm Chú ý : chữ K là sai số của tụ, 50V là điện áp cực đại mà tụ chịu được Tụ giấy và tụ gốm còn có một cách ghi trị số khác là ghi theo số thập phân và lấy đơn vị là MicroFara 1 2 6 Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ Ta thấy rằng bất kể tụ điện nào cũng được ghi trị số điện áp ngay sau giá trị điện dung, đây chính là giá trị điện áp cực đại mà tụ chịu được, quá điện áp này tụ sẽ bị nổ Khi lắp tụ vào trong một mạch điện có điện áp là U thì bao giờ người ta cũng lắp tụ điện có giá trị điện áp Max cao gấp khoảng 1,4 lần 1 2 7 Phân loại tụ điện Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica ( Tụ không phân cực ) Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ 12 0,47 μF trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu Tụ hoá ( Tụ có phân cực ) Tụ hoá là tụ có phân cực âm dương, tụ hoá có trị số lớn hơn và giá trị từ 0,47μF đến khoảng 4 700 μF , tụ hoá thường được sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặc dùng để lọc nguồn, tụ hoá luôn luôn có hình trụ Tụ xoay : Tụ xoay là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được lắp trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài Hình 1 10: Hình ảnh tụ xoay- tụ gốm- tụ hóa 1 2 8 Ứng dụng của tụ điện Đối với mạch điện xoay chiều Đóng vai trò tương tự như vật dẫn điện với dung kháng (điện trở) nhất định Tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch càng lớn và ngược lại Với dòng một chiều, tụ điện có trở kháng +oo Đặc tính này được ứng dụng trong các mạch truyền tín hiệu Lọc dòng điện xoay chiều sau khi chỉnh lưu để đưa dòng điện từ xoay chiều sang một chiều Đối với mạch điện một chiều Hỗ trợ nguồn điện trong các mạch có công suất tiêu thụ tăng giảm đột ngột (mạch loa, động cơ, ) khi nguồn không cấp đủ năng lượng trong thời gian ngắn 13 Lọc nhiễu tín hiệu (xung PWM) Khử các tia lửa điện trong động cơ điện một chiều 1 3 Chất bán dẫn Bán dẫn loại N Hình 1 11: (a) Mạng tinh thể Ge loại N (b) Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại N Từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 5 như Sb, Pb (có 5 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thừa ra một điện tử ,chất bán dẫn mang điện âm =>chất bán dẫn loại N Bán dẫn loại P Hình 1 12 : (a) Mạng tinh thể Ge loại P (b)Đồ thị vùng năng lượng BD Ge loại P Từ chất bán dẫn ban đầu cho vào ít nguyên tố hóa trị 3 như Indium (có 3 điện tử lớp ngoài cùng) liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh nó, thiếu một điện tử, tạo thành lỗ trống, chất bán dẫn mang điện dương => chất bán dẫn loại P 14 Tiếp xúc P-N: Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số Hình 1 13 : Tiếp xúc P-N Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc E tx (nhỏ) Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P–N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn Khi đặt tiếp xúc P – N vào điện trường ngoài: E ngoài ngược chiều với E tx : làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại Cho dòng điện I qua từ P sang N E ngoài cùng chiều E tx : không có dòng điện I qua tiếp xúc P–N từ N sang P 1 4 Trasistor lưỡng cực (BJT) 1 4 1 Khái niệm Transistor là một linh kiện bán dẫn có 3 cực, dòng điện chạy từ cực này đến cực khác, cực còn lại có nhiệm vụ điều khiển dòng này 1 4 2 Cấu tạo và kí hiệu Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra tiếp xúc công nghệ P–N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN (được gọi là transistor ngược ) Hình 1 14: (a )Transistor NPN và kí hiệu 15 Nếu lớp bán dẫn N nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại traisistor PNP (transistor thuận ) Hình 1 15: (b )Transistor PNP và kí hiệu Một cực có thể điểu khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển Điều kiện của các vùng tạp chất: Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất Vùng C: pha tạp chất trung bình Vùng B: pha tạp chất nồng độ rất ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài micromet) 1 4 3 Nguyên lí làm việc của Transistor Nguyên tắc hoạt động Để transistor hoạt động phải đủ hai điều kiện về điện áp để tiếp tế và phân cực Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện E CC Transistor NPN : U CE > 0 Transistor PNP : U CE < 0 Phân cực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện U BE Transistor NPN : U BE > 0 Transistor PNP : U BE < 0 Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau: Chọn một loại transistor loại PNP Hình 1 16: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP 16 Khi K 1 đóng, K 2 mở: Có nguồn E B , không có nguồn E CC Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B Khi qua vùng B tạo nên dòng điện I B vậy chỉ có dòng I B , không có dòng I c ở nguồn E CC Khi K 1 mở, K 2 đóng: Có nguồn E CC , không có nguồn E B lúc này CE coi như gồm hai điốt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điốt này mắc ngược chiều nhau nên không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò I co rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra Khi K 1 đóng, K 2 đóng: Nhờ nguồn E B , lỗ trống từ vùng E sang vùng B: Khi có nguồn U BE , nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện Khi có dòng I BE , do lớp bán dẫn N tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp ít nên các lỗ trống từ lớp bán dẫn P tại cực E vượt qua lớp tiếp giáp để sang lớp bán dẫn N tại cực B với số lượng nhiều hơn điện tử Một phần nhỏ trong số các lỗ trống đó thế vào điện tử tạo thành dòng I B , số còn lại bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp U CE để tạo thành dòng I CE chạy qua Transistor => Nhận xét: Nếu I B = 0 thì I C = 0 Nếu I B tăng thì I C tăng Nếu I B giảm thì I C giảm Suy ra I B có tính điều khiển dòng I C Trong đó dòng I B cỡ nA, dòng I C cỡ mA Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo thành dòng I B , phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng I C Vậy ta luôn có : I E = I B + I C Trong đó: I B Nhận xét: Khi tăng dòng I B thì dòng I C tăng theo và U CE giảm Khi dòng I B giảm, dòng I C giảm theo và U CE tăng hay điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếch đại ở chân B (transistor mắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bày vào phần sau) Dòng I B thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng I C thay đổi đồng pha tương ứng ở mạch ra tại cực C Dòng I C qua R t gây sụt áp U R , nên ta có điện áp U CE (chính là V C ) được tính theo công thức (*) ở trên I C tăng làm V C giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra V C ngược pha với điện áp vào 1 4 5 Đặc tuyến của Transistor lưỡng cực Đặc tuyến ngõ vào: Biểu diễn sự thay đổi của dòng I B theo điện thế ngõ vào V BE Trong đó hiệu điện thế thu phát V CE chọn làm thông số Dạng đặc tuyến như sau: 19 Hình 1 19: (a) Đặc tuyến ngõ vào Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn dòng điện cực thu I C theo hiệu điện thế ngõ ra V CE với dòng điện ngõ vào I B được chọn làm thông số Dạng đặc tuyến như sau: Hình 1 20: (b) Đặc tuyến ngõ ra Đặc tuyến truyền: Từ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra, ta có thể suy ra đặc tuyến truyền của Transistor Đặc tuyến truyền biểu diễn sự thay đổi của dòng điện ngõ ra I C theo điện thế ngõ vào V BE với điện thế ngõ ra V CE làm thông số Dạng đặc tuyến như sau: 20 Hình 1 21: (c ) Đặc tuyến truyền 1 4 6 Các cách mắc Trasistor đơn giản Cách mắc Emitter chung ( EC) Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và E, tín hiệu ra được lấy ra giữa cực C và E, E là cực chung Hình 1 30: (a) Hình mắc Emitter chung Cách mắc Bazơ chung ( BC) Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và E, tín hiệu ra được lấy ra giữa cực C và B, B là cực chung Hình 1 22: (b) Hình mắc Bazơ chung Cách mắc Collector chung ( CC) 21 Tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào giữa cực B và C, tín hiệu ra được lấy ra giữa cực E, C là cực chung Hình 1 23: (c) Hình mắc Collector chung 1 5 Giới thiệu về IC chuyên dụng sử dụng trong mạch Trong mạch điều khiển bộ nghịch lưu ta hoàn toàn có thể sử dụng các mạch riêng rẽ ghép lại với nhau Mỗi một mạch sẽ thực hiện một khâu riêng: có thể là tạo xung, so sánh hoặc là một khâu khuếch đại Tuy nhiên điều này sẽ làm cho mạch trở nên cồng kềnh, tăng chi phí cho sản phẩm, hơn nữa việc dùng nhiều các phần tử như vậy sẽ làm cho mạch thiếu tính ổn định Điều này là rất quan trọng đối với một mạch điện tử công suất Dựa trên nguyên lý điều khiển chung như đã trình bày ở trên, hiện nay các hãng đã chế tạo ra IC chuyên dụng điều biến độ rộng xung PWM dùng cho các nguồn chuyển mạch Chúng đã tạo ra được một cuộc cách mạng trong việc chế tạo bộ nguồn chuyển mạch Ngoài IC CD4047BC thì trên thị trường hiện nay còn một số IC chuyên điều biến độ rộng xung như LT1524,SG3524,HCF4047B,HCC4047B, SG3525, TL494 Loại IC chuyên dụng này có nhiều ưu điểm vượt trội như : Làm việc với dải điện áp rộng: 3 0V 15V đối với CD4047BC , 3 0 18V với HCC4047B Có khả năng chống nhiễu cao Hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ khá rộng: -65 0 C 150 0 C với CD4047BC Tạo được sóng ra với tần số khá cao 300 kHz Tiêu thụ năng lượng rất thấp 100 mW 22 Mỗi hãng chế tạo các IC này có đôi chút khác nhau song sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng đều có những điểm giống nhau cơ bản và được trình bày như hình 1 26 Do vậy trong thiết kế mạch điều khiển bộ nghịch lưu ta hoàn toàn có thể thay thế các IC này cho nhau khi cần thiết Hình 1 24: Sơ đồ khối của IC 4047 Tạo dao động đa hài phiếm định Kiểm soát cổng đa hài phiếm định Kiểm soát cổng đơn ổn Kiểm soát sự kích hoạt Bộ chia tần số Tần số ngõ ra 23 Hình 1 25: Sơ đồ logic của IC CD4047BC Bộ tạo dao động răng cưa Bộ khuếch đại sai số Bộ đếm nhị phân C ảm biến quá dòng 24 Hình 1 26: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC chuyên dụng Một bộ dao động răng cưa ( sawtooth oscillator) sinh ra một xung răng cưa (hình 1 26) có biên độ khoảng 3,3V, V st Mức điện áp một chiều ở nền xung răng cưa vào khoảng 0,5V và ở đỉnh là 4,5V Chu kỳ xung răng cưa được xác định bởi thành phần điện trở và tụ điện bên ngoài R t và C t , giá trị xấp xỉ : T = R t C t Một bộ khuếch đại sai số( error amplifier) so sánh một phần điện áp ngõ ra KV 0 với điện áp chuẩn V ref và sinh ra điện áp sai số V ea , V ea được so sánh với điện áp răng cưa V st trong bộ điều biến độ rộng xung PWM Chú ý rằng trong bộ khuếch đại sai số, một phần của điện áp ngõ ra KV 0 được cấp đến ngõ đảo để khi V 0 tăng thì điện áp sai số V ea giảm Trong bộ điều biến độ rộng xung PWM xung răng cưa được cấp vào ngõ vào không đảo và V ea được cấp đến ngõ vào đảo Do đó ngõ ra khối PWM là xung vuông V pwm Giá trị của V pwm âm trong suốt khoảng thời gian mà giá trị của điện áp răng cưa V st nhỏ hơn V ea hay từ t 1 đến t 2 Khi điện áp ngõ ra tăng, KV o cũng tăng tương ứng và lúc đó V ea sẽ giảm, V ea sẽ đi xuống phần đáy của xung răng cưa Dẫn tới thời gian âm của V pwm giảm và do đó thời gian mở của transitor 25 giảm và sẽ làm giảm điện áp ra Ngược lại khi điện áp ngõ ra giảm, KV 0 giảm tương ứng và lúc đó V ea sẽ tăng, nó sẽ đi lên phần đỉnh của xung răng cưa Dẫn tới thời gian âm của V pwm tăng và do đó thời gian mở của transitor tăng và như vậy sẽ làm tăng điện áp ra Từ đây ta thấy rằng điện áp ra đã được ổn định nhờ vòng hồi tiếp âm điện áp IC CD4047BC được thiết kế cho mạch đẩy kéo do đó xung âm đơn có độ rộng điều chỉnh được V pwm xảy ra mỗi lần trong một chu kỳ xung răng cưa phải được chuyển đổi thành hai xung lệch pha nhau 180 0 với cùng độ rộng Điều này thực hiện được nhờ bộ đếm nhị phân và cổng lôgic NAND G 1 , G 2 Xung dương V P xảy ra ở cuối mỗi xung răng cưa được sinh ra từ bộ dao động răng cưa, xung dương này được sử dụng để khởi động bộ đếm nhị phân( binary counter) Ngõ ra của bộ đếm nhị phân Q và Q gồm hai sóng vuông ngược pha ở trong một chu kỳ xung răng cưa Những sóng vuông này và V pwm sẽ được kết hợp trong hai bộ NAND G 1 và G 2 Vì vậy cực B và cực E của hai transitor Q 1 và Q 2 chỉ dương trong một nửa chu kỳ luân phiên Thời gian mở của các transitor công suất chính là khoảng thời gian điện áp V pwm ở mức thấp Khi V p ở mức cao trong khoảng thời gian rất ngắn thì cả hai cực B của Q 1 và Q 2 đều ở mức thấp khiến cả hai transitor lực đều bị khóa Điều này đảm bảo rằng nếu độ rộng xung V pwm lớn nhất, tức là V pwm ở mức thấp trong cả chu kỳ xung răng cưa thì hai van động lực không mở đồng thời ở thời điểm cuối mỗi chu kỳ Việc mở đồng thời hai transitor lực cho dù chỉ trong thời gian ngắn là rất nguy hiểm có thể sẽ làm phá hủy transitor lực 26 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT MẠCH NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA 2 1 Giới thiệu về nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn điện một chiều độc lập khác Nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim… Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha Người ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng Ngoài ra còn nhiều cách phân loại nghịch lưu nhưng hai cách trên là phổ biến hơn cả Trong đề tài này ta quan tâm đến nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha 2 2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha 2 2 1 Nghịch lưu nguồn áp Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng transistor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp 27 Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không 2 2 2 Nghịch lưu nguồn áp một pha a Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1 1 Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: 4 3 2 1 , , , T T T T và các điôt 4 3 2 1 , , , D D D D dùng để trả công suất phản kháng về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều) Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp b Nguyên lý làm việc Ở nữa chu kỳ đầu tiên (0 ൊ 2  ), cặp van 2 1 , T T dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải E U  1 , hướng dòng điện là đường nét đậm Tại thời điểm 2    , 1 T và 2 T bị khóa, đồng thời 3 T và 4 T mở ra tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và tại E U t   thời điểm 2  Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) 2 1 , T T bị khóa nên dòng phải khép mạch qua 4 3 , D D Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua 4 3 , D D về tụ C (đường nét đứt ) Tương tự như vậy đối với nữa chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp 4 3 , T T dòng tải sẽ khép mạch qua 1 D và 2 D 28 Đồ thị điện áp tải t U , dòng điện tải t i , dòng qua điôt D i và dòng qua transistor được biểu diễn trên hình 2 2 Biểu thức điện áp và dòng điện trên tải : t E U t   sin 4  ) sin( 4 2 2       t X R E I t t t Hình 2 1 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha Hình 2 2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha 29 Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc 2 3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 2 3 1 Giới thiệu PWM Các bộ nghịch lưu đã trình bày ở trên có điện áp ra có chứa nhiều song đa hài Để nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu, phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được đưa ra nghiên cứu và ứng dụng Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Sử dụng PWM điều khiển tần số và điện áp ra của bộ nghịch lưu một pha ngoài ra nó còn điều khiển sự nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu ba pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn nguồn 1 chiều cố định Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hoặc là sườn âm Hình 2 3 Đồ thị dạng xung điều chế PWM U t O 30 Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào Và độ rộng của nó được tính bằng phần trăm tức là độ rộng của nó được tính như sau : độ rộng = (t1/T) 100 (%) Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng lớn Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là : Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax (t1/T) = Umax 25% (V) Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax 50% (V) Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax 75% (V) Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào 2 3 2 Phương pháp điều khiển PWM Hai đại lượng cần quan tâm khi xét về PWM là sóng mang và sóng điều biên: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, đến hàng chục thậm chí đến hàng trăm KHz Sóng điều biên là sóng hình sine có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của bộ nghịch lưu Luật điều khiển của phương pháp điều biến độ rộng xung PWM được sử dụng nhiều nhất là luật so sánh Tín hiệu điều khiển hình sine có tần số mong muốn sẽ được so sánh với các xung hình tam giác Tần số chuyển mạch của nghịch lưu cm f bằng tần số xung tam giác x f có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang Tần số tín hiệu điều khiển 1 f có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu Hệ số điều biến biên độ được định nghĩa là: mx dkm a U U m  ( 1 1) Trong đó : U dkm – biên độ của tín hiệu điều khiển U mx –biên độ của tín hiệu xung tam giác 31 Hình 2 4:Luật điều khiển Hệ số điều biến tần số là : 1 f f m x x  ( 1 2) Xét một chu kỳ điện áp mang ( hình 1 3) Khi xếp chồng u dk và u x chúng cắt nhau tại các hoành độ và (2) Các giao điểm của chúng quyết định giá trị trung bình của điện áp ra                       1 2 2 2 2 2 2 1 0 2 2 2              E d E d E d E U tb (1 3 ) Mặt khác ta có : a m   2   (1 4) Do đó : ma E U tb  2 (1 5 ) Qua biểu thức (1 5) ta thấy rằng : giá trị trung bình của điện áp ra trong một chu kỳ điện áp mang tỉ lệ với điện áp điều khiển Nếu điện áp điều khiển có dạng hình sin thì U tb dạng hình sin Người ta có thể điều chỉnh biên độ điện áp ra bằng cách tác động vào tỉ số U dkm /U xm 32 Trên hình 2 5 biểu diễn sơ đồ khối điều khiển các transistor của PWM Từ sơ đồ cho ta thấy: hai tín hiệu điều khiển U đk và tín hiệu sóng mang U x đưa vào bộ so sánh Khi hai điện áp này bằng nhau sẽ cho một xung, qua bộ chia xung ta đưa tới để điều khiển các transistor tương ứng Hình 2 5: Sơ đồ khối bộ điều khiển các van của PWM Hình 2 6 Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực Trên hình 2 5 biểu diễn phương pháp tạo điện áp ra bằng so sánh điện áp điều khiển hình sine và điện áp tam giác cân Ở hình 2 6 là cách tạo ra điện áp bằng ߠ U ߠ O 33 các xung đơn cực (điện áp mang trong trường hợp này chỉ có xung đơn cực dương hoặc âm ) Trong khi đó hình 2 7 là phương pháp tạo điện áp ra bằng các xung lưỡng cực ( điện áp mang lúc này có xung với hai cực tính khác nhau ) Hình 2 7: Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực Ưu điểm của sơ đồ điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là tần số điện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển mạch thay đổi với trị số U d so với 2U d ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng cực Do tần số điện áp gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành phần sóng hài gấp đôi so với sơ đồ nghịch lưu điều biến với chuyển mạch điện áp lưỡng cực 2 3 3 Các cách để tạo ra được PWM để điềukhiển Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như: 4047, 555, LM556 Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM U ߠ ߠ O 34 2 3 3 1 Tạo bằng phương pháp so sánh Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây : Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế Xét sơ đồ mạch sau : Hình 2 8 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp hai đầu vào là một xung răng cưa (Saw) và một tín hiệu 1 chiều (Ref) Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Urmax Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw với tần số xác định được là f = 1/(ln C1 (R1+2R2) 2 3 3 2 Tạo bằng phương pháp dùng IC dao động Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả và ta chỉ việc lắp 35 2 3 3 3 Tạo xung vuông bằng phần mềm Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông Với tạo bằng phần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse-Width Modulation - PWM) là một kỹ thuật sử dụng sự hỗ trợ của phần cứng thiết bị để xuất ra xung điện với một biên độ xác định Ở phần này ta chọn phương pháp PWM bằng IC điều khiển 36 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC- AC TỪ 12VDC SANG 220VAC TẦN SỐ 50 Hz 3 1 Tính toán mạch nghịch lưu 3 1 1 Tính toán linh kiện điện tử Acquy sử dụng cấp nguồn cho mạch hoạt động là 12V-30Ah, có công suất phát Pmax= 360W Mạch sử dụng IC4047 để tạo tần số 50Hz, chu kỳ xung vuông ra tại 2 chân 10 và 11 được tính: RC T 4 , 4  Từ công thức trên ta chọn tụ điện là 0,1μF        K f T R 5 , 45 10 1 , 0 4 , 4 1 10 1 , 0 4 , 4 6 6 Chọn R=47KΩ nên ta dùng biến trở VR=100KΩ để điều chỉnh tần số 50Hz hoặc 60Hz Khối công suất sử dụng các Transistor họ NPN như H1061 công suất trung bình, có dòng Imax= 3A, điện áp 50V, Pmax= 25W dùng để khuếch đại đệm dòng cho tầng khuếch đại công suất Tầng khuếch đại công suất sử dụng các Transistor họ NPN như D718, công suất lớn có Imax= 8A, điện áp 180gV, Pmax= 80W dùng để khuếch đại dòng điện đưa ra biến áp 3 1 2 Tính toán biến áp động lực Hình 3 1: Sơ đồ biến áp động lực Thông số máy biến áp cần đạt: V U V U 220 , 12 2 1   , f= 50Hz, P= 80W 37 Biến áp có kích thước a= 2,8cm, b= 4,8cm Công thức tính số vòng cho một volt là: B F S N 44 , 4 10 8  (*) Với S tính bằng cm2, F tính bằng Hz, B tính bằng Gauss( chọn B= 10000) Biến áp có điện thế nguồn là 12V, điện thế ra là 220V, ta sử dụng lõi sắt từ có diện tích 2,8x4,8= 13,6 2 cm , tần số 50Hz Dòng điện cuộn thứ cấp ܫ : ଶ ൌ ௉ ௎ మ ൌ଼ ଴ ଶଶ଴ ൌ 0,36ܣ Dòng điện cuộn sơ cấp: ܫ ଵ ൌ ௉ ௎ భ ൌ଼ ଴ ଵଶ ൌ 6,7ܣ Tính số vòng dây: Thay số vào công thức (*), ta được: votl vòng N / 3 , 3 10000 50 6 , 13 44 , 4 10 8   Số vòng sơ cấp: ݊ 1 ܰൌ 1 ܷ ൌ 3,3 12 ൌ 39 ݒ ò ݃݊ Số vòng thứ cấp: ݊ 2 ܰൌ 2 ܷ ൌ 3,3 220 ൌ 726 ݒ ò ݃݊ Tính cỡ dây: D( mm)= √ூ ଶ Cỡ dây cuộn sơ cấp: ܦ ௦௖ ൌ √଺,଻ ଶ ൌ 1,2 ݉݉ Cỡ dây cuộn thứ cấp: mm D tc 3 , 0 2 36 , 0   Vậy ta chọn biến áp cho bộ biến đổi với các thông số sau: Diện tích lõi từ 13,6 2 cm Công suất 80W Thiết diện dây sơ cấp 1,2mm, 39 vòng Thiết diện dây thứ cấp 0,3mm, 726 vòng 3 2 Linh kiện sử dụng trong mạch 3 2 1 Điện trở, biến trở a Điện trở: 38 Khống chế dòng điện vào IC CD4047 và qua Transistor cho phù hợp, ổn dịnh dòng và điện áp trong mạch Tham gia vào mạch tạo dao động R C Hình 3 2: Hình dáng và ký hiệu của điện trở 1K Ohm Thông số kỹ thuật: Model: 1K Ohm - 1/4W Nhiệt độ hoạt động: -55 o C – 155 o C Linh kiện xuyên lỗ: 0 5mm Loại: Điện trở cố định Sai số: 5% Hình 3 3: Hình dáng và ký hiệu của điện trở 4 7K Ohm Thông số kỹ thuật : Giá trị: 4700 Ôm hay 4 7K Sai số: 1% Công suất: 1/4W Kiểu chân: chân cắm 39 b Biến trở: Sử dụng biến trở để điều chỉnh tần số ra tải cho phù hợp Hình 3 4: Hình dáng và ký hiệu của biến trở 100K Ohm 3 2 2 Tụ điện Tăng độ ổn định cho mạch điều khiển Hình 3 5: Hình dáng và kí hiệu của tụ hóa 0 1 F  3 2 3 Transistor H1061 Hình 3 6: Hình dáng và kí hiệu của H1061 40 Transistor H1061 là transistor phân cực ngược NPN, được thiết kế để có thể sử dụng trong các mạch khuếch đại tần số thấp, để khuếch đại đệm dòng cho khối công suất Thông số kỹ thuật: Điện áp cực đại: U CEO = 100V, U CBO = 80V, U EBO = 5V Dòng cực đại: I C = 4A Hệ số khuếch đại: 55 ~ 160 Nhiệt độ làm việc: -55 o C ~ 150 o C Công suất tối đa: 40W Hình 3 7: Sơ đồ chân Transistor H1061 Bảng 3 1: Bảng thông số và điều kiện hoạt động của H1061 Đặc điểm Kí hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp khóa Collector Base ܸ ஼஻ை 100 V Điện áp khóa Collector Emitter ܸ ஼ாை 80 V Điện áp khóa Emitter Base ܸ ா஻ை 5 V Dòng điện ngưỡng ܫ ௖ 4 A Công suất ngưỡng ܲ ௖ 40 W Khoảng nhiệt độ ܶ ௦௧௚ -55 ~150 Ԩ B C E 41 3 2 4 Transistor D718 Hình 3 8: Hình dáng và kí hiệu của D718 Là dòng Transistor họ BJT- NPN, công suất rất lớn Dòng chịu đựng: 8A Điện áp: 120V Công suất: 80W Hình 3 9: Sơ đồ chân Transistor D718 42 Bảng 3 2: Bảng thông số và điều kiện hoạt động 3 2 5 IC CD4047BC Hình 3 10: Hình dáng và kí hiệu của IC 4047 Loại IC chuyên dụng này có nhiều ưu điểm vượt trội như : Làm việc với dải điện áp rộng: 3 0V 15V Có khả năng chống nhiễu cao Hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ khá rộng: -650- 1500 Ԩ Tạo được sóng ra với tần số khá cao 300 kHz Tiêu thụ năng lượng rất thấp 100 mW Đặc điểm Kí hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp khóa Collector Emitter ܸ ஼ாை 120 V Điện áp khóa Collector Base ܸ ஼஻ை 120 V Điện áp khóa Collector Base ܸ ா஻ை 5 V Dòng điện ngưỡng ܫ ௖ 8 A Dòng điện khóa Base ܫ ஻ 0 8 A Công suất ngưỡng ܲ ௖ 80 W Khoảng nhiệt độ ܶ ௦௧௚ ‐55 ~150 Ԩ 43 Hình 3 11: Sơ đồ chân của IC CD4047 IC 4047 là một vi mạch đa hài họ CMOS dùng để phát ra một xung đơn(mạch đa hài đơn ổn),hoặc một dãy xung vuông góc(mạch đa hài phiếm định) Nó gồm 14 chân đánh số thứ tự theo chiều tăng dần ngược chiều kim đồng hồ từ 1 đến 14 Các chân 1,2,3 được nối với các điên trở và điện dung định thời Chân 4 và 5 dùng để điều khiển mạch làm việc ở chế độ đa hài phiếm định Chân 8 và 6 lần lượt để kích sườn lên và sườn xuống của xung điều khiển khi làm việc ở chế đọ đa hài đơn ổn Chân 9 là chân xóa (tích cực cao) hay Reset Chân 10 là đầu ra đảo Chân 11 là đầu ra không đảo Chúng phát ra 2 xung đơn ngược nhau khi làm việc ở chế độ đơn ổn Chân 12 dùng để kích trở lại Chân 13 để phát ra dãy xung vuông góc khi làm việc ở chế độ IC làm việc ở chế độ đa hài phiếm định Chân 14 là chân cấp nguồn +3V đến +18V Ở đây chúng ta dung IC4047 coi như là một mạch đa hài phiếm định (là mạch mà điện áp đầu ra liên tục chuyển qua lại giữa 2 mức cao và thấp) và có nhiệm vụ tạo tần số 50Hz, điều khiển các transistor 44 3 3 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động 3 3 1 Sơ đồ khối của nghịch lưu Hình 3 12: Sơ đồ khối của mạch nghịch lưu 3 3 2 Chức năng các khối Khối nguồn DC: Nguồn điện được lấy từ bình Acquy Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào