đồ án thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Trong các bộ biến đổi cácphần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bándẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng đ

Đồ Án Thiết kế và chế tạo mạch

nghịch lưu một pha

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, tháng 6 năm 2009

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Văn A

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, cácthiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiềutrong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các 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 bộbiến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằngcảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi mộtchiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền độngmáy bay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tửcông suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại Vì vậy

để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng

em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một

pha” Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và

nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho

việc hoàn thiện sản phẩm Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn

A cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành

xong đồ án của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên khôngtránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận đượcnhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiệnhơn

TÊN ĐỀ TÀI Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

* Số liệu cho trước

- Các giáo trình và tài liệu chuyên môn

- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm

*Nội dung cần hoàn thành:

- Lập kế hoạch thực hiện

- Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha

- Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một

và ba pha

- Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:

+ Điện áp đầu vào một chiều U = 12V

+ Điện áp đầu ra xoay chiều U = 220V - f = 50HZ + Bảo vệ quá điện áp đầu ra 10%

+ Bảo vệ quá dòng điện, quá nhiệt độ cho phần tử công suất+ Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm

- Sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật Quyển thuyếtminh.và các bản vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Văn A

PHẦN I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ

CÁC VAN BÁN DẪN

Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu

và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn năng lượng điệnvới các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số cóthể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn côngsuất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi cácphần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bándẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy quacác van Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt cácdòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gâytiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn Không những vậy các van bán dẫncòn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiểnchúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũngnhỏ

Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộbiến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Quá trìnhbiến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vìtổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so vớicông suất điện cần biến đổi Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệusuất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc

Đây là đặc tính của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểmhoặc kiểu điện tử không thể có được

1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của điện tử công suất:

Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnhvực biến đổi tần số cao và trong dân dụng Sự phát triển của truyền động điện nó đãthúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950 Tuy nhiên, những ứngdụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suấtcao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân không và cókhí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển côngnghiệp

Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tạiphòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bướcphát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của

kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor,tranzitor công suất ra đời

Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nênnhững thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và

nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tửcùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển

Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điệnlớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn

Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong cácngành công nghiệp hiện đại Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có nhữngứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động,

giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị côngnghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo cácphần tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoànthiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sửdụng ngày càng dễ dàng hơn.

Trong thực tế bộ biến đổi được chế tạo rất đa dạng để có thể hiểu và phân tích đượcnguyên lý của các bộ biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu các phần tử bán dẫn công suất

1.2.Các phần tử bán dẫn công suất và việc điều khiển chúng:

1.2.1 Chất bán dẫn

Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điệntrở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn) Chất không dẫn điện còngọi là chất cách điện hay là chất điện môi

Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổitrong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ) Nóicách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ởnhiệt độ thấp Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)

Trong bảng tuần hoàn

(Mendeleep) các nguyên tố bán dẫn

chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2.1)

giữa các kim loại và á kim Điển hình

là Ge, Si… Vì ở phÂn nhóm IV, lớp

ngoài cùng của Ge, Si có 4 điện tử

(electron) và chúng liên kết đồng hoá

trị với nhau tạo thành một mạng bền

vững (Hình 1.2.1-2-a)

51 Sb

33

As

15 P

16 S

34 Se

52 Sb

53 I

50 Sn

32

Ge

14 Si

6 C

5 B

Hình 1.2.1-1 Các nguyên tố bán dẫn

tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàncủa tinh thể bị biến đổi và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện củabán dẫn cũng thay đổi.

Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In, thì do lớpđiện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồnghoá trị Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiệnmột lỗ trống (hole) dương

(Hình 1.2.1-b) Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác đểtrung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới Quá trình cứ thế tiếp diễn

và bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P –Positive)

Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như

As, thì do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tửđồng hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử Điện tử này dễdàng rời khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do Bán dẫn Ge trở thành bán dẫnđiện tử hay bán dẫn Âm (bán dẫn loại N – Negative)

Khi nhiệt độ chất bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển độngcủa các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn

Ge

Ge Ge

b,

GeGe

-c,

Hình 1.2.1-2 Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)

Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B,

C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb,AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…cácsulfua như ZnS, CdS…

Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiềutrong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống

1.2.2.Diode công suất

a>Cấu tạo đặc điểm và phân loại:

-Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN Diện tích bề mặt tiếp giápđược chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2 Mật độdòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một sốloại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe nhưBB2-1250 Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.2.2-1

K

*Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge):

Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN(indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N Miếng bán dẫn Ge được hàn vớinền bằng thép Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kếtvới bộ phận tản nhiệt

-Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trênDiode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp Diode Ge thường bịđánh thủng do nhiệt độ Nhiệt độ cho phép của Diode Ge là 750C, nên khi làm việc ởnhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, dovậy ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge

*Diode chỉnh lưu silic (Si):

-Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại

N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silicloại P Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán

Phốt pho vào tinh thể Si loại N Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được ápdụng cho các loại diode công suất lớn

-Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng

hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan.

- Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode Sicũng cao hơn Diode Ge Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao

tmax = 1250C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ

b>Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe:

-Khi tiếp giáp PN của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điệntrường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng

ra, nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua.Lúc này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phâncực ngược Hình 1.2.2-2

-Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ bịthu hẹp lại Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹplại đến bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode.Dòng điện đi qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài Khi đó tanói rằng diode được phân cực thuận.

Hình 1.2.2-3

+

+

+

-

+

-E n g

+ + +

Hướng di chuyển các các điện tích

Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ

nhất ứng với UAK  0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với

UAK  0 hình1.2.2-4

-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến vượtquá giá trị UD0  0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòngđiện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu nhưkhông đổi

-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị

đến giá trị lớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cảntrở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ Đây là hiện tượng diode bị đánhthủng

-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tínhhóa của diode Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:

u = UD0 + iDRD

Trong đó: UD0(V); ID (A); RD ()

-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép vàđiện áp ngược mà diode chịu được Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đươngcủa diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng  theo chiều ngược

c> Biểu thức giải tích đặc tính V-A

- Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức:

Trong đó: Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA

q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C)

k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K)

T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K).

t0 - Nhiệt độ môi trường 0C

u – Điện áp đặt trên diode (V)

d>Các tham số cơ bản của Diode

-Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, ID Trongquá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn củadiode Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện

áp rơi trên diode Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot Điều này cónghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị ID

là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể

-Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max

cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode Như ở đặc tính

vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngượcđược, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo UAK <=

Ung,max

-Tần số làm việc của diode

Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode Trongcác khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t).i(t) cógiá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa Vì vậy nếu tần số đóng cắtcao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode

So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủyếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình Các diodeđược chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diodecần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode

Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử,nghĩa là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác Cácdiode khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích rakhỏi cấu trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi.Thời gian phục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode Các diode có thờigian phục hồi rất ngắn cỡ s, gọi là các diode cắt nhanh Cần phải phân biệt các diodecắt nhanh với các diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode.

1.2.3 Tranzitor công suất - (Bipolar Junction Transistor)- (BJT)

a> Cấu tạo và đặc điểm chung

Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với cácloại như NPN hay PNP Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liêntiếp nhau, miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN.Nếu miền bán ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh là loại P khi đó ta có loại transitorthuận PNP Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi

đó ta có loại transitor ngược NPN

- Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc

B (bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiềuvới điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực

C (Collector)

p n Collector

n

Hình 1.2.3-1: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngược

Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sửdụng như 1 khoá đóng - cắt điện tử Tiếp giáp của Transitor công suất lớn có diện tíchhàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịuđược tần số đóng cắt tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi làphần tử khuếch đại chuyển mạch Transitor có hai điểm làm việc khác biệt Hình 1.2.3-

2 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch

b> Đường đặc tính làm việc

Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng - cắt được trình bàynhư hình vẽ 1.2.3-3 Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc:đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn

A2 A3 A4

I b

Ucb = 0

Ic (A)

Uce Uce

V

Hình 1.2.3-3 Điểm làm việc của công tắc Transitor

Hình vẽ 1.2.3-3 cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB

= 0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn

Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đếnA2 Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớnthì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4 Đến đÂy dòng điện IC tăng rất

ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức ở đÂy điên áp UCE giảm xuống bé hơnđiện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là:UCErest

c>Sự điều khiển quá mức của Transitor

Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòngđiện IB quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại

Ở điều khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa.Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu

UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0 Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làmviệc như là một công tắc

Sự điều khiển quá mức có ưu điểm là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổnhao bé

Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó

chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đếngiới hạn UCB = 0

u = IB/IB’,

Thông thường tỉ số này được chọn từ u = 2-5

d> Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở

Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộchuyển mạch công suất Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cựcCollector Hình 1.2.3-4 và 1.2.3-5 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch côngsuất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch

Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.2.3-5 được xác định qua độ lớn của điệntrở tải Ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn ở điểm A2 thì Transitordẫn Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ Như vậy trongkhi đóng cũng như trong khi cắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữađiểm làm việc A1 đến A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xácđịnh Trong thực tế không chỉ có các tải điện trở thuần mà có khi còn có tải điện dunghoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châmđiện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữacác điểm làm việc Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này có thể xuất hiện đỉnh điện

áp lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạngphá hỏng Transitor Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ cho các van công suất

Hình 1.2.4-5

e> Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện

Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô

tả trên hình 1.2.3.-6 và 1.2.3 -7 Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu

không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh

Ic

Uce

A2

A1 Us Ib= 0A

Hình 1.2.3.-6 Chuyển mạch công suất với tải tụ điện

Hình 1.2.3-7 Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện f> Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây

Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây vàđường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.2.3-8 và 1.2.3-9

Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn nên không có dòng điện chạyqua Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường Trong khoảnh khắcđóng mạch khi có dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảmứng Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi US và nó nhỏ dần Chính sức điện độngcảm ứng này sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tácđộng chỉ tăng từ từ Điểm làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặctính mô tả là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm việc A2.

Khong co Diode bao ve

Co Diode bao ve

Hình 1.2.3-8 Chuyển mạch công suất với tải điện cảm

Hình 1.2.3-9 Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm

Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định Dòng này chạyqua Rload và Lload Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường Trongkhoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của

từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng Nó xuất hiện một sức điện động tựcảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điệnđộng tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trìnhngắt (thời gian quá trình ngắt) Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá

độ trên đường đặc tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1

Qua hiện tượng tự cảm, trong quá

trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên

cực C của Transitor một điện áp quá cao,

cao hơn cả điện áp US Điều này có thể

dẫn tới tình trạng làm hỏng Transitor, do

đó các mạch có tải là các cuộn dây

thường cần có biện pháp bảo vệ

Một trong những biện pháp bảo vệ

là người ta thực hiện theo sơ đồ

Hình 1.2.3-10 Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công suất

1.2.4 TRANSITOR TRƯỜNG – FIELD EFFECT TRANSISTOR

1.2.4.1 Khái niệm

Transitor trường được viết

tắt là FET (Field effect Transitor)

là loại Transitor có tổng trở đầu

vào rất lớn khác với Transitor

lưỡng cực BJT

( Bipolar Junction Transitor) loại

NPN hay PNP có tổng trở đầu vào

tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông

thường kiểu E chung

+

U2

Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc vớiđường dòng điện Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928 Nhưng ứng dụngthực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời Hình1.2.4-1 mô tả nguyên lí làm việc của FET.

Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vậtliệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bándẫn nêu trên Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bándẫn kênh N Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P Sơ đồ dưới đây

mô tả các loại khác nhau của Transitor trường

Các Transitor trường có 3 chân:

Cực máng D (Drain),

Cực nguồn (Source),

Cực cổng (Gate)

Các cực của Transitor trường so sánh với Transitor BJC

Cực S tương đương với cực Emitter

Cực G tương đương với cực Base

Cực D tương đương với cực Collector

Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng Nó được tóm tắt trên

hình 1.2.4-2

Hình 1.2.4-2 Các loại Transitor trường

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109, ởMOSFETs thậm chí khoảng 1015 ) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitortrường có công suất tổn hao gần bằng không Vì vậy việc ứng dụng Transitor trườngrất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs

JFETs

MOSFETs loại kênh liên tục

MOSFETs loại kênh gián đoạn

Hình 1.2.4-3 Ký hiệu Transitor trường

1.2.4 2 Transitor JFET (Junction FET)

a, Cấu tạo, nguyên lí làm việc

JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối Gọi tắt là FET.JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P

Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ Cấu tạo của nó bao gồm

có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một

Transitor trường (FETs)

kênh đặt sẵn

MOSFETs kênh cảm ứng

Loại5 đặc biệt

Cổng đôi

VMOSFETs SIPMOSFETs

G

D

D S

G

D

D S

G

D

D S

lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cựcnguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate)

Như vậy hình thành một kênh

dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và

S, cách li với cực cổng G dùng làm

cực điều khiển bởi một lớp tiếp xúc

bao quanh kênh dẫn Đối với JFET

kênh P thì hoàn toàn tương tự Ký

hiệu và cực tính điện áp phÂn cực

cũng như dòng điện và đặc tính điều

khiển cho các JFET loại kênh N và

kênh P như hình 1.2.4-5

P

S G

-Dßng ®iÖn tö

Vïng ch¾n

Hình 1.2.4 -4 Mặt cắt của một JFET kênh N

b, Nguyên lí hoạt động

Để phân cực JFET kênh N người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và

UGS < 0 như hình vẽ Hình 1.2.4 -4 (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ

ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược) Dotác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện

tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID.Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụthuộc mạnh vào cả hai điện trường này Điều này có thể giải thích như sau:

D

S -

+

+ -

Hình 1.2.4-5 Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.2.4-4) thì cả hai tiếp giáp PNđều bị phân cực ngược Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắnlàm cho dòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cựcngược Khi vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi Trong kênhgần cực Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn

Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu

và dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu Độ lớn của điện trở RDS giữaSource và Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp UGS Như vậy điện áp cóthể làm thay đổi được điện trở RDS Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện

sẽ bị gián đoạn và kênh lúc này bị thắt lại Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không Vì tiếpgiáp PN phÂn cực ngược nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điềukhiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ

c, Đường đặc tính ra của JFET

Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID vàđiện áp UDS khi UGS bằng hằng số

Vùng tuyến tính

Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS Đây làvùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh

Vùng bão hoà

Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS Đây

là vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng điện ID được điềukhiển bằng điện áp UGS

Vùng đánh thủng

Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiệntượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp PN tạivùng này là lớn nhất

d, Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:

 Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0

 Đặt U1 ở gái trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số

 Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS

 Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 thay đổi các giá tri khác nhau

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS

 Giữ nguyên U2 điều chỉnh thay đổi U1

 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS

10 15

Đặc tuyến đầu ra của JFET

e, Các tham số của JFET

Tham số giới hạn

Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0)

Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép

Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép

Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0

Tham số làm việc

Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID

Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = UDS/ID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặctính đầu ra trong vùng bão hoà

Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ID/ UGS cho biết tác dụng điều khiển của điện

áp cực cổng tới dòng cực máng

1.2.4.3 Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)

Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện Lớpcách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng chính vì vậy mà người tagọi la MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET) Khi viết tắt người ta cũng thườnghay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate)

MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi làMOSFETs có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFETs có kênhcảm ứng MOSFETs có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi

UGS = 0V

Ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn.Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N haykênh P

a Cấu trúc và ký hiệu:

-Không giống như Transitor thường được giới thiệu ở phần trên, chúng được điều

khiển bằng dòng điện Còn MOSFET được điều khiển bằng điện áp nên công suất điềukhiển rất nhỏ, do vậy MOSFET có thể được điều khiển trực tiếp từ các đầu ra của các

vi mạch công suất nhỏ

-Trên hình: 1.2.4-6 biểu diễn cấu trúc của một MOSFET kênh dẫn kiểu n trong đó G

là cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn bởi lớp điện môi mỏngsilicđioxit (SiO2) nhưng có cách điện rất lớn Nếu kênh dẫn là kiểu n thì các hạt mangđiện xẽ là các electron (các hạt điện tử) do đó cực tính điện áp của cực máng là cực

b >

n

s o u r c e ( S )

n n

G

D r a i n ( D )

a >

n

n

s o u r c e ( S )

n n

n p

G

D r a i n ( D )

b >

n

n

s o u r c e ( S )

n n

n p

G

D r a i n ( D ) c

n

-+

Hình1.2.4-7: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET

Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0 Giả sử UGS = 0.khi đó kênh dẫnhoàn toàn không xuất hiện và giữa cực S và cực D lúc này là tiếp giáp p-n bị phân cựcngược, điện áp xẽ rơi hoàn toàn trên tiếp giáp này, còn dòng qua cực gốc và cực máng

sẽ rất nhỏ

- Nếu UGS < 0 thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các lỗ (P) do đó dòngđiện giữa cực gốc và cực máng vẫn hầu như không có (hình1.2.4-7 a.).

-Nếu UGS > 0 và đủ lớn thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các điện tử, nhưvậy một kênh dẫn đã được hình thành, lúc này dòng điện giữa cực máng và cực gốc chỉphụ thuộc vào điện áp UDS (hình1.2.4-7 b.)

-Trên cấu trúc MOSFET hình (hình1.2.4-7 c.) ta thấy rằng giữa cực gốc và cực mángtồn tại một tiếp giáp p-n, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S, đó chính

là ưu điểm của MOSFET

c> Đặc tính ra của transistor MOSFET kênh N: c tính ra c a transistor MOSFET kênh N: ủa transistor MOSFET kênh N:

Hình 1.2.4-8: Họ đặc tính ra của MOSFET kênh N

Trên đường đặc tính ta thấy khi đặt điện áp điều khiển nhỏ hơn một mức nàođấy cỡ 3V thì giữa cực máng và cực gốc điện trở rất lớn dòng qua đó gần bằng không.Khi điện áp cỡ 6-7V thì MOSFET sẽ trong chế độ dẫn, thông thường người ta điềukhiển MOSFET bằng diện áp cỡ 15V để giảm điện áp rơi trên 2 cực D và S khi đó UDS

gần như tỷ lệ với dòng ID

MOSFET tác động rất nhanh có thể đóng, mở với tần số trên 100KHZ KhiMOSFET dẫn dòng thì điện trở rất nhỏ khoảng 0,1  đối với MOSFET -1000V vàkhoảng 1 với MOSFET -500V

Ngày nay người ta đã chế tạo được MOSFET với UDS tới 500V và ID tới hàngtrục ampe Vì vậy MOSFET được dùng nhiều để làm khóa điện tử vì chịu được tần sốcao và nó giữ vai trò quan trong trong các thiết bị biến tần có khâu trung gian

-Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 .Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G.

j 2

j 1

j 3

K G

-Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất Uth,max thì xẽ sẩy

ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàngchảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài Nếu khi đódòng qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tínhthuận ( giống như diode) Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thểthay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi

b> Trường hợp IG > 0

*Khi UAK > 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng IG > 0 thì quá trình chuyển điểm làmviệc lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trìnhchuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với UAK nhỏ hơn

*Khi UAK < 0 thì quá trình sẩy ra cũng tương tự trường hợp IG = 0

1.2.5.3.M v khóa thyristor: ở và khóa thyristor: àm việc:

+ E

-Có 2 phương pháp kích mở thyristor:

* Phương pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tương đương trong mạch A– K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạchngoài Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế

*Phương pháp thứ hai là: phân cực cho UAK >0, sau đó thực hiện đưa một dòng điện cógiá trị nhất định vào cực G Khi đó thyristor xẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sangthấp, nên có dòng điện đi qua thyristor

-Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng màkhông cần xung điều khiển nữa Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có côngsuất rất nhỏ so với mạch lực

1.2.5.4.Các thông số cơ bản của Thyristor:

-Giá trị dòng trung bình cho phép qua thyristor, IV,trb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ củacấu trúc tinh thể bán dẫn của tinh thể Thyristor không được vượt quá một giá trị chophép Trong thực tế dòng điện chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làmmát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn

để làm mát tự nhiên, ngoài ra Thyristor còn có thể được làm mát cưỡng bức nhờ quạtgió hoặc dùng nước để làm mát nhanh hơn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện quaThyristor theo các điều kiện làm mát sau:

+Làm mát tự nhiên dòng sử dụng cho phép đến 1/3 IV,trb

+ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió dòng sử dụng cho phép đến 1/2 IV,trb

+ Làm mát cưỡng bức bằng nước dòng sử dụng cho phép đến 100% IV,trb

-Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ung,max

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristo Trong các ứng dụngphải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào UAK luôn nhỏ hơn Ung,max Ngoài ra còn phảiđảm bảo một độ dự trữ điện áp, nghĩa là Ung,max phải được ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lầngiá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ

-Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor tr (s)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lê giữa anot – catot của thyristor sau khidòng qua thyristor đã về bằng không, trước khi có thể có điện áp UAK dương màthyristor vẫn khóa Tr là thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là khi sử dụng trongcác bộ nghịch lưu phụ thuộc, hoặc nghịch lưu độc lập Trong đó luôn phải đảm bảorằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 – 2 lần tr

-Tốc độ tăng điện áp cho phép

dt

du

(v/ s)Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù khi được phâncực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòngđiện chạy qua Khi thyristor được phân cực thuận phần lớn điện áp được đặt lên tiếpgiáp J2 như trên hình vẽ sau:

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ

dầy của nó rộng ra, tạo nên vùng không

gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện

chạy qua Vùng không gian này có thể coi

như một tụ điện có điện dung CJ2 Khi đó

điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng

điện của tụ có thể có giá tri đáng kể, nó

đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả

là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín

hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

-Tốc độ tăng dòng điện cho phép dt di (A/ s)

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nóđều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chảy qua bắt đầu ở một số điểm gần ở cực điềukhiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độtăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn điện ban đầu quálớn, dẫn đến sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó cóthể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng điện cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có giá trị

dt

di

khoảng 50  100A/s với các thyristor tần số cao có dt di khoảng

500  2000A/s Trong các bộ biến đổi phải luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăngdòng điện luôn nhỏ hơn giá trị cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần

tử bán dẫn với những điện kháng nhỏ, lõi không khí, hoặc đơn giản hơn là các lõi

kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điệncảm giảm gần như bằng không Vì vậy điện kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế

độ dòng định mức đi qua dây dẫn

PGM

Hình 1.2.5 -4 Đặc tính điều khiển của Thyristor

Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được mồi chắcchắn Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại

UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại

IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại

IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiẹt độ bất kỳ

UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ

Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằngđoạn thẳng, nên ta có:

UT = UO + r.iT

Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm

1.2.6 Triac (Triode Alternative Current)

a C u trúc v ký hi u ấu trúc và ký hiệu àm việc: ệc:

Hình 1.2.6-1: Cấu trúc và ký hiệu của Triac

Hình 1.2.6-2: Đặc tính vôn - ampe của Triac

-Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp tiếp giáp, có đường đặc tính vôn –ampe đối xứng, nhận góc mở  trong cả hai chiều Như vậy triac được dùng để làmviệc trong các mạch điện xoay chiều, và có tác dụng như hai thyristor đấu song songngược Vì vậy định nghĩa dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tựcho khái niệm điện áp ngược Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa

b Đặc tính V-A

Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo

cả hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ

Việc kích mở Triac có thể chia ra làm các trường hợp:

- Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT2T1> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1< 0 khi UT1T2> 0

- Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0

Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơnkhi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòngqua triac âm

c> Các tham số cơ bản

-Dòng điện định mức Iđm (A):dòngđiện hiệu dụng cho phép đi qua triac trong một thờigian dài khi triac mở

- Điện áp ngược cực đại Ungmax (V): điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào triac trongmột thời gian dài khi triac khoá

- Điện áp rơi trên triac U (V): điện áp rơi trên triac khi triac mở với dòng qua triacbằng dòngđiện định mức

-Dòng điện điều khiển Ig:dòng điện điều khiển đảm bảo mở triac

1.2.7 Diac

Về cấu tạo, DIAC giống như một SCR không có cực cổng hay đúng hơn là mộttransistor không có cực nền Hình 1.2.7 -1 sau đây mô tả cấu tạo, ký hiệu và mạchtương đương của DIAC.

Hình1.2.7- 1

Khi đặt một hiệu điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đat đến giá trịđiện thế VBO, DIAC dẫn điện và khi đặt một hiệu thế theo chiều ngược lại và khi tăngđến trị số -VBO, DIAC cũng dẫn điện, DIAC thể hiện một điện trở âm (điện thế hai đầuDIAC giảm khi dòng điện qua DIAC tăng) Từ các tính chất trên, DIAC có thể coitương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu Thực tế, khi không có DIAC người ta

có thể dùng hai Diode Zener có điện thế Zener thích hợp để thay thế trong ứng dụng(Hình 1.2.7-1), DIAC thường dùng để mở Triac Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sángcủa bóng đèn (Hình 1.2.7-2)

Trên sơ đồ hình1.2.7-2 ta thấy ở nửa chu kỳ dương thì tụ nạp điện cho đến giátrị điện thế VBO thì DIAC dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện Hết bán kỳ dương,Triac ngưng dẫn điện Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -

Hình 1.2.7-2

1.2.8 Diode đệm

Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắcsong song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình1.2.8-1).Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ:

- Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá.Dòng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 1.2.8-1a) Khi ngắt nguồn (U= 0), dos.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tảikhép kín qua Diode D0 (hình 1.2.9-1a) Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽđặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện và nguyhiểm cho người

- Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải