II. Bộ tạo xung kích cho SCR : 1. Nhiệm vụ của mạch tạo xung kích. Như ta đã biết, SCR khi đã dẫn thì không thể tắt được bằng xung kích mà cần phải có một bộ phận làm cho nó tắt. Bộ phận này phải thoả mãn một trong các yêu cầu tắt của SCR. Như đã khảo sát ở phần trên, bộ băm xung một chiều dùng hai linh kiện SCR, một con chính để nối tải với nguồn và một con phụ để làm tắt nó. Do vậy, mạch tạo xung kích cho SCR phải tạo được hai xung kích và các xung kích này đủ lớn để đảm bảo kích mở được SCR. Đồng thời, thời gian xuất hiện giữa hai xung kích này có thể điều chỉnh được và dạng sóng trên tải phụ thuộc vào hai xung kích này. 2. Sơ đồ khối : Bộ phận tạo sóng tam giác nhằm mục đích làm tín hiệu so sánh cho bộ tạo xung vuông có Khối nguồn Bộ phận xuất xung điều khiển Bộ phận tạo sóng tam giác Bộ tạo xung vuông có điều chỉnh Mạch đơn ổn đặt trước độ rộng xung Bộ dao động tần số cao Bộ phận trộn tín hiệu Bộ phận đảo xung Mạch đơn ổn đặt trước độ rộng xung Hình III.17 độ rộng thay đổi được. Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn ổn, một đi thẳng đến mạch đơn ổn khác để hình thành hai xung kích. Xung đi ra từ hai mạch đơn ổn được trộn với xung có tần số cao do bộ dao động đưa đến. Bộ dao động tần số cao có chức năng tăng khả năng kích cho các xung kích, đảm bảo kích được các SCR. Sau đó, các xung này được đưa ra bộ phận xuất xung điều khiển đi đến cực cổng của SCR. 3. sơ đồ mạch điện : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 33 Hình III.18 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 34 4. Nguyên lý hoạt động của mạch : Đầu tiên, bộ dao động tạo sóng tam giác do hai IC 741a và 741b đảm nhận. Bộ dao động này tạo ra tần số chủ yếu cho bộ băm xung một chiều. Tần số sóng tam giác do R1, R2, R3 và C1 quyết đònh. Sóng tam giác này được đưa đến ngõ vào đảo của 741c, còn ngõ vào không đảo được nối ra chân giữa của biến trở VR. Xung vuông ở ngõ ra có thể thay đổi được độ rộng xung khi thay đổi biến trở VR do thay đổi mức so sánh với sóng tam giác. Xung vuông này được chia làm hai đường : đường thứ nhất đi qua một cổng đảo và đường còn lại đi qua hai cổng đảo để sửa dạng xung rồi đi đến hai ngỏ kích của mạch đơn ổn để tạo ra xung có độ rộng xung không thay đổi. Độ rộng xung của mạch đơn ổn có thể đặt trước sao cho nó đủ để kích SCR. Mạch đơn ổn do hai IC AN555a và AN555b thực hiện. Ngõ ra của chúng sẽ được trộn với mạch dao động tần số cao thực hiện bởi IC AN555c để cho xung kích là một tập hợp của một chùm xung, làm tăng khả năng kích cho SCR. Các xung này sẽ được đưa qua OPTO nhằm cách ly mạch tạo xung kích với ngyuồn điện thế cao khi đưa vào cực cổng của SCR. u v (ngỏ vào chân số 3) +v 0 t _ v u r (ngỏ vào chân số 2) +v 0 t o t _ v Dạng sóng ra ở OPTO 4N26B Dạng sóng ra ở OPTO 4N26A t t 0 0 +V +V THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 35 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH I. THIẾT KẾ MẠCH : 1. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm xung một chiều. Để tính toán các giá trò cho mạch băm xung một chiều, trước hết ta cần có các số liệu ban đầu như sau: U ng = 300V. R tải = 50. I tải = 6A. Thời gian dẫn nhỏ nhất có thể được của S1 là : T on = 500s. Thời gian khoá của SCR được chọn thiết kế là : t off = 50s. Khoảng điện áp điều chỉnh được từ 30V 300V. Tỷ số chu kỳ nhỏ nhất là : D min = 30/300 = 0.1 Chu kỳ của bộ băm là : T = T on /D = 500/0.1 = 5000s. Và tần số lớn nhất có thể được của bộ băm là : f = 1/T = (1/5000).10 6 = 200Hz. Dựa trên những thông số chọn ở trên, và để cho mạch hoạt động tốt thì các thông số của mạch băm được tính toán như sau : a. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp . Như đã khảo sát ở chương III, ta có sơ đồ mạch băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp như hình III.4 : Đầu tiên để chọn tụ điện, ta nhận thấy rằng theo dạng sóng điện áp của u s1 , thời gian khoá của SCR S1 nằm ở giữa khoảng tăng theo hàm mũ từ –E đến +E. Với mạch dao động L – C, tại thời điểm t = 0, bắt đầu khoá S1, ta có : u s1 = E + Ae -t/T Trong đó : T = RC là thời hằng nạp xả của tụ điện . Với u s1 = -E ở t = 0, do đó A = -2E. Từ đó suy ra : u s1 = E –2Ee -t/T Khi u s1 = 0 thì t = thời gian khóa của S1 = 60s, do đó : u s1 = 300 – 2.(300)e -(60.10-6)/T = 0 Suy ra : T = 87s Trong mạch dao động R – C, ta lại có : T = RC THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 36 Do đó, C = T/R = 87/50 = 1.73F. Ta chọn C = 2.2F. Theo nguyên lý hoạt động của mạch trên cho ta biết thời gian khoá của SCR S1 bằng một phần tư chu kỳ dao động của L – C, nên ta có : Suy ra L = 0.66mH Để tính dòng điện dao động lớn nhất trong mạch dao động L-C, ta cân bằng biểu thức sau : ½CU 2 = ½LI 2 Và ta có được dòng I Cmax = 17.3A. Để chọn SCR, ta nhận thấy rằng, dòng điện qua S 1 sẽ là : I S1max = I tải + I Cmax = 6 + 17.3 = 23.3A. Như vậy, ta phải chọn SCR S 1 có khả năng chòu được dòng điện lớn hơn hoặc bằng 23.3A để nó có thể hoạt động tốt trong mạch. Đối với S 2 thì nó chỉ chòu dòng điện nạp và xả qua tụ C nên có thể chọn với giá trò dòng điện thấp hơn. Tính số vòng dây của cuộn dây L : Theo công thức ta có: l SN L 2 0 Trong đó : d L : chiều dài cuộn dây. l N : số vòng dây của cuộn dây. 0 : hệ số từ thẩm. S : diện tích cuộn dây. Từ công thức trên ta có: S lL N . . 0 Ở đây chọn : d = 0.05m, l = 0.05m, 0 = 4.10 -7 Thay số: Sơ đồ mạch băm được thể hiện như sau : .10.602 4 1 6 sLCt off vong R N 115 104 05.010660 27 6 E S1 S2 Rt L C XK2 XK1 50 2.2uF 0.66mH D1 D2 + THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 37 b. thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện : Sơ đồ mạch điện như hình III.8 đã khảo sát ở phần trước, với các giá trò cho ở trên, ta tính các trò số của mạch băm như sau : Trong thực tế, khi mạch được cấp điện với điện áp nguồn, tụ C sẽ được nạp qua điện trở R đến một giá trò gần gần bằng điện áp nguồn. Thời gian chuyển mạch đủ nhỏ (so với thời gian làm việc) nên dòng điện coi như không đổi trong giai đoạn này và có trò số bằng Ic max . Đối với điện trở R ta chọn sao cho trò số của nó vừa đủ lớn để dòng điện qua nó không đáng kể so với dòng dao động của mạch LC. Đồng thời vừa đủ nhỏ để đáp ứng tụ C kòp nạp gần bằng nguồn. Thông thường giá trò của R được là 100K. Dòng điện dao động trong L - C có dạng hình Sin (hình IV.2), nên ta có : t L C Ut L C UtIi ngCCc sinsinsin maxmaxmax Để cho mạch băm hoạt động được một cách chắc chắn, ta cần có : I cmax = KI tai (K > 1). Thông thường K được chọn bằng 2 (K = 2). Do đó: max 2 t I L C U (1) Theo nguyên lý hoạt động của mạch (lý tưởng) thì thời gian tắt (t off ) của S c là : off t Nhưng trong thực tế thì thời gian này phải là : tt off Với t : là khoảng thời gian trể của SCR, chọn t = 10 . Để thời gian tắt có thể duy trì cho SCR phục hồi chức năng khóa khi chưa có xung kích, ta cần : )( 3 2 ttt offkk t off LCT I Cmax I tải Hình IV.2 Dạng sóng của mạch dao động L – C. Hình IV. 1 Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 38 Với LC t 1 Suy ra: )2( 3 2 )( 1 tt LC off Giải hệ phương trình (1) và (2) ta có: )( 3 )( 4 3 tt U I C tt I U L off ng t off t ng Thay số ta có: FFC mHHL 2.1)(10)1050( 14.3300 63 72.0)(10)1050( 614.34 3003 6 6 Vậy chọn : L = 0.72mH C = 1F Công thức tính số vòng dây của cuộn dây: l SN L 2 0 Suy ra S lL N 0 Nếu ta chọn quấn cuộn dây có chiều dài là 50cm và đường kính là 50cm thì số vòng dây phải quấn là : VongN 120 2 05.0 14.31014.34 05.010720 2 7 6 Về việc tính dòng điện để chọn SCR cho phù hợp, ta biết rằng S 1 chỉ chòu dòng điện tải cho nên ta có thể chọn S 1 có mức chòu đựng điện áp lớn hơn dòng điện tải là được. Còn đối với S 2 thì dòng điện qua nó được tính là lớn hơn dòng điện tải (thông thường là lớn hơn hai lần). Cho nên SCR S 2 phải có mức chòu dòng lớn hơn hai lần dòng điện tải thì mạch băm có thể hoạt động tốt. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 39 Hình IV.3 Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện. Mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện có các giá trò như hình vẽ sau : 2. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch tạo xung kích : Như ta đã biết, mạch tạo xung kích cho SCR trong mạch băm xung phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tần số và thời điểm kích như đã đề cập đến trong chương III. Để tính toán các giá trò cho mạch ở hình III.16 với tần số làm việc là 200Hz, trước hết ta chọn nguồn cung cấp cho toàn mạch là 12V và việc tính toán được thực hiện như sau : a. Tìm trò số cho các linh kiện trong bộ phận tạo tần số cơ bản có độ rộng xung thay đổi được. Bộ phận này gồm IC 741A, IC 741B, IC 741C R1, R2, R3, R 4 , R 5 , C 1 và C 2 thực hiện. Ở bộ dao động tạo sóng cơ bản đầu tiên, chu kỳ của nó được tính là : Trong đó : Ta chọn R 2 = 10k, R 3 = 2.2k. Tần số là f = 200Hz nên ta có chu kỳ T = 5ms. Do đó : R 1 C 1 = 3.6ms. Khi ta chọn C 1 = 1F thì R 1 = 3.6k (lấy R 1 = 3.3k). Sóng vuông do bộ phận trên tạo ra có biên độ đỉnh - đỉnh là 24V và tỉ số chu kỳ là : D = 0.5 cho nên thời gian ở mức cao của xung là 2.5ms. Để chuyển sóng vuông được tạo ra ở trên thành sóng tam giác, ta cần tính : 1 1 ln2 11 CRT 32 3 RR R ms V t V ra 6.9 5 . 2 24 XK2 XK1 E Rt C L D1 D2 R 50 1uF 100K 0.72mH + - S1 S2 D3 18.0 2 . 2 10 2.2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 40 Vì mối quan hệ : Nên ta có : R 4 C 2 = 2.5ms. Chọn C 2 = 0.47F thì R 4 = 5.3k (lấy R 4 = 4.7k) Thông thường R 5 chọn bằng R 4 = 4.7k. Sóng tam giác này là tín hiệu so sánh với điện áp một chiều đưa vào từ biến trở VR để tạo ra sóng vuông có độ rộng xung thay đổi được. Muốn thay đổi độ rộng xung ta chỉ việc thay đổi mức điện áp so sánh bằng cách chỉnh biến trở này. Giá trò của biến trở được chọn là 5k. b. Tính các giá trò cho bộ phận tạo xung đơn ổn : Bộ phận này gồm hai mạch đơn ổn riêng biệt và hoàn toàn giống nhau nhằm cung cấp xung kích cho hai SCR trong mạch băm xung một chiều. Chúng bao gồm IC AN555A, IC AN555B, R 11 , R 12 , C 1 và C 2 thực hiện. Độ rộng xung đơn ổn được chọn để thiết kế là 0.5ms. Độ rộng này là không đổi trong khi thay đổi độ rộng xung ở ngõ vào. Độ rộng xung trong mạch đơn ổn dùng IC555 được tính là : T = R 11 C 5 ln3 = R 12 C 6 ln3 Khi T = 0.5ms, ta có : R 11 C 5 = R 12 C 6 = 0.454ms. Chọn C 5 = C 6 = 1F thì điện trở R 11 = R 12 = 454. Vậy giá trò các linh kiện phải chọn là : C 5 = C 6 = 1F; R 11 = R 12 = 470. c. Tính các giá trò cho mạch dao động tần số cao. Mạch dao động tần số cao này nhằm mục đích trộn với xung đơn ổn để tăng khả năng kích cho mạch tạo xung kích. Tần số thiết kế cho bộ phận này khoảng 10KHz. Với tần số đó, ta tính các giá trò cho bộ phận này với các linh kiện IC AN555C, IC AN555D, R 17 , R 18 , R 19 , R 20 , C 9 , C 10 , D 2 và D 3 . Để xung ra có được tỉ số chu kỳ là D = 0.5 thì ta phải có R 17 = R 18 = R 19 = R 20 và thêm diode D 2 mắc song song với R 18 , diode D 3 mắc song song với R 20 . Tần số của bộ dao động này được tính là : Từ đó ta có : R 17 C 9 = 0.072ms. Chọn C 9 = C 10 = 0.1F thì R 17 = 0.72k. Vậy các linh kiện cần phải chọn là : C 9 = C 10 = 0.1F R 17 = R 18 = R 19 = R 20 = 1k. d. Thiết kế bộ phận đưa xung kích ra ngoài. Sau khi có xung đơn ổn và xung dao động tần số cao, ta trộn chúng lại với nhau bằng các cổng AND trong IC2. Kết quả sẽ cho ta một chuổi xung kích trong khoảng xung đơn ổn ở mức cao. Các xung kích này sẽ được đưa đến các OPTO 4N26A và 4N26B để đưa ms V CR V t V và ra 6.9 24 917 4.1 1 CR f . Mạch đơn ổn đặt trước độ rộng xung Hình III.17 độ rộng thay đổi được. Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn ổn, một đi thẳng đến mạch đơn ổn khác để hình thành. xung rồi đi đến hai ngỏ kích của mạch đơn ổn để tạo ra xung có độ rộng xung không thay đổi. Độ rộng xung của mạch đơn ổn có thể đặt trước sao cho nó đủ để kích SCR. Mạch đơn ổn do hai IC AN555a. trò như hình vẽ sau : 2. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch tạo xung kích : Như ta đã biết, mạch tạo xung kích cho SCR trong mạch băm xung phải đáp ứng đầy