Dien tu cong suat-CD K4 sua lai docx

Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng ®iƯn Ch¬ng i : CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CƠNG SUT 1.1 điôt Cu to, ký hiu it bỏn dẫn cấu kiện gồm có lớp tiếp xúc P-N hai chân cực anốt (ký hiệu A) catốt (ký hiệu K) Anốt nối tới bán dẫn P, catốt nối với bán dẫn N bọc vỏ bảo vệ kim loại nhựa tổng hợp Hình 1.1: Cấu tạo ký hiệu diốt bán dẫn sơ đồ mạch Nguyên lý hoạt động điôt Hoạt động điốt dựa tính dẫn điện chiều tiếp xúc P-N Hình sau mơ tả sơ đồ ngun lý đấu điốt Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý điốt Khi đưa điện áp ngồi có cực dương vào anốt, âm vào catốt (UAK > 0) điốt dẫn điện mạch có dịng điện chạy qua lúc tiếp xúc P-N phân cực thuận Khi điện áp ngồi có cực âm đưa vào anốt, cực dương đưa vào catốt (UAK < 0) điốt khóa tiếp xúc P-N phân cực ngược, dòng điện ngược nhỏ (I0 ≈ 0) chạy qua * Đặc tuyến vụn-ampe ca it bỏn dn Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Đặc tuyến vôn- ampe điốt biểu thị mối quan hệ dòng điện qua điốt với điện áp đặt hai chân cực anốt catốt (UAK) Đây đặc tuyến vônampe lớp tiếp xúc P-N, dịng điện chạy qua điơt tính theo cơng thức sau: I = I (e U AK VT − 1) Hình 1.3 Đặc tính Vơn – Ampe điốt bán dẫn Ta thấy: - Phần thuận đặc tuyến (khi UAK > 0): Khi điốt phân cức thuận dịng điện thuận tăng nhanh Ta phải ý đến giá trị dòng điện thuận cực đại Ithuận max, điơt khơng làm việc với dịng điện cao trị số Khi UAK >0 trị số nhỏ dịng điện thuận q nhỏ nên ốt chưa coi phân cực thuận Chỉ điện áp thuận U AK ≥ UD ốt tính phân cực thuận điốt dẫn điện Điện áp U D gọi điện áp thuận ngưỡng điơt Khi UAK = UD dịng điện thuận có trị số khoảng 0,1Ith.max UAK > UD dịng điện thuận tăng nhanh tăng gần tuyến tính với điện áp UD có giá trị (0,1 ÷ 0,3)V điốt gecmani (0,4 ÷ 0,8)V điốt silic - Phn ngc ca c tuyn Vụn-Ampe: Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao ®¼ng ®iƯn Khi U AK lớn vài lần VT dịng điện ngược có giá trị I giữ nguyên giá trị Khi UAK < tăng lên đến trị số Uđ.t dịng điện tăng vọt, ta gọi tượng đánh thủng tiếp xúc P-N Hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N làm khả chỉnh lưu điôt thông thường làm hỏng điốt, trừ điơt Zener điơt sử dụng tượng đánh thủng để ổn định điện áp Điện áp điểm đánh thủng ta gọi điện áp đánh thủng ký hiệu Uđ.t Có hai tượng đánh thủng: - Đánh thủng điện (đường 1) - Đánh thủng nhiệt (đường 2) + Đánh thủng nhiệt xảy tác động nhiệt Hiện tượng đánh thủng nhiệt thường xảy điôt gecmani Lúc đôi điện tử lỗ trống sinh tác dụng nhiệt làm cho dòng điện tăng lên sụt áp điôt giảm + Đánh thủng điện hay xảy điơt silic có ý nghĩa thực tế Hiện tượng đánh thủng điện thường xảy theo chế sau: - Đánh thủng đường hầm: đánh thủng xảy giá trị điện trường gọi giá trị tới hạn Et.h đặt lên tiếp xúc P-N Điều kiện để xảy tượng đánh thủng đường hầm là: Thông thường Et.h = 3.107 V/m điôt gecmani Et.h = 8.107 V/m điôt silic - Đánh thủng thác lũ: ion hóa nguyên tử mạng tinh thể va chạm với hạt tải điện mang lượng lớn Điện áp đánh thủng: Tuỳ theo vật liệu mà điện áp đánh thủng từ vài vơn đến hàng chục ngàn vơn Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện 1.2 thyristor (scr) Cu tạo, ký hiệu * Cấu tạo: Chỉnh lưu silic có điều khiển, gọi tắt SCR, gồm có lớp bán dẫn P N xếp theo kiểu P-N-P-N Ba chân cực ký hiệu chữ A - anốt, K - catôt, G - cực điều khiển Cực anốt nối với phần bán dẫn P1 trước, catốt nối với phần bán dẫn N2 sau; cực điều khiển G thường nối với phần bán dẫn P2 Đèn chỉnh lưu silic có điều khiển dẫn điện chiều Mơ hình cấu tạo ký hiệu SCR sơ đồ mạch mơ tả hình 6- 1a,b,c Có hai loại SCR là: + SCR điều khiển theo catốt hay gọi SCR theo qui ước (đơn giản gọi SCR) Loại cực điều khiển G nối với phần bán dẫn P2 sau + SCR điều khiển theo anốt hay gọi SCR kiểu bù Loại cực điều khiển G nối với phần bán dẫn N1 trước Thông thường người ta sử dụng loại SCR qui ước Các SCR kiểu bù cơng suất thấp dùng cơng suất tiêu thụ cao loại SCR qui ước Sau đây, nghiên cứu nguyên lý làm việc SCR qui ước, gọi tắt SCR Biªn soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Hỡnh 1.4: Ký hiu v cu tạo SCR Điều kiện đóng mở, ứng dụng a, Nguyên lý làm việc: Sơ đồ mạch tương đương ca SCR: Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Hỡnh 1.5: S đồ mạch tương đương SCR Theo cấu tạo, SCR có tiếp xúc P- N ký hiệu T1, T2, T3 - Khi cực điều khiển G để hở (IG = 0): Đặt điện áp nguồn cung cấp UAK vào anốt catốt để phân cực cho SCR lúc coi điốt: + Khi phân cực ngược (UAK < 0) tiếp xúc T1 T3 phân cực ngược, T2 phân cực thuận nên qua SCR có dịng điện ngược nhỏ Nếu tăng UAK lên cao đến điện áp đánh thủng tiếp xúc T1 T3 tượng đánh thủng kiểu thác lũ hay đánh thủng zener với điện áp đánh thủng U đ.t = Uđ.t.T1 + UĐ.t.T3 Nếu xảy tượng coi SCR hỏng + Khi phân cực thuận (UAK > 0) tiếp xúc T1 T3 phân cực thuận, tiếp xúc T2 phân cực ngược qua SCR có dịng điện ngược nhỏ (hay SCR chế độ trở kháng cao) Nếu tăng dần điện áp phân cực thuận U AK > lên đến điện áp đánh thủng tiếp xúc T2 dịng điện qua SCR tăng vọt Lúc tiếp xúc PN coi phân cực thuận, điện trở chúng nhỏ làm cho sụt áp SCR giảm hẳn xuống cịn khoảng từ ÷ V Trị số điện áp mà xảy đánh thủng tiếp xúc T2 gọi điện áp đỉnh khuỷu U BO Trị số UBO thường vào khoảng từ 200 ÷ 400V Vùng điện áp ta gọi vùng chặn thuận Như vậy, SCR dẫn điện dịng điện qua khơng thể khống chế SCR mà hạn chế nhờ điện trở mc mch ngoi Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Theo sơ đồ mạch tương đương hình 6- SCR ta thấy, SCR dẫn điện qua có dịng điện I chạy từ A đến K tiếp xúc P-N tranzito Q1 Q2 có dịng điện vào là: Và α1, α2 hệ số khuếch đại thác lũ alpha (hay số nhân thác lũ) Dòng điện tổng qua SCR là: Như vậy, (α1 + α2) = dịng điện tăng vọt khơng giới hạn được, tương ứng với tiếp xúc T2 phân cực thuận Lúc này, SCR dẫn điện có nghĩa hai tranzito Q1 Q2 dẫn bão hòa Lúc này, SCR chế độ "ON": đóng mạch, hệ số khuếch đại α hai tranzito hở nên nhỏ đạt điều kiện (α1 + α2) = - Khi ta đưa dòng điện điều khiển vào cực điều khiển G (IG ≠ 0): Khi cho dòng điện vào cực điều khiển G, làm tăng hệ số α mà không phụ thuộc vào điện áp dịng điện Như vậy, dịng IG có tác dụng gia tăng hạt dẫn thiểu số cho lớp bán dẫn P2 tiếp xúc T2 thông sớm Tuỳ theo trị số dòng IG mà điện áp đánh thủng tiếp xúc T2 trị số dòng điện trì I H thay đổi Khi IG có giá trị lớn UBo nhỏ I H nhỏ Quan hệ thể qua đặc tuyến Vụn-Ampe ca SCR biu din hỡnh sau Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao ®¼ng ®iƯn Hình 1.6: Đường đặc tuyến Vơn-Ampe SCR Điện áp, mà SCR chuyển từ chế độ ngắt sang chế độ dẫn điều khiển tín hiệu nhỏ cực điều khiển Ở SCR cơng suất lớn, để kích thích cho SCR hoạt động ta dùng dịng điện IG có hiệu ứng nhỏ Cịn SCR cơng suất thấp, dịng IG sử dụng để bật tắt SCR Khi SCR dẫn dù ta cắt dịng điện điều khiển IG , tiếp tục dẫn điện Khi SCR dẫn điện ta gọi khởi động SCR ngừng dẫn dòng điện bị giảm xuống mức IH điện áp đặt lên SCR nửa chu kỳ âm Khi SCR ngừng dẫn, muốn hoạt động trở lại ta phải kích khởi động cho Như ta thấy, thực tế, đặt điện áp U AK lên SCR có dịng điện ngược chạy qua SCR, dòng điều khiển IG tạo thành phần dịng điện kích thích cho tổng hệ số khuếch đại kiểu thác lũ dịng điện (α1 + α2)→ SCR khởi động Khi UAK thuận tăng lên dịng điều khiển cần thiết để khởi động SCR giảm xung Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện c im ca SCR: - Thời gian mở tắt (hay thời gian phục hồi tp) nhanh (vài μs đến vài chục μs) - Cường độ dịng điện cao (hàng nghìn ampe) - Điện áp cao (hàng nghìn Vơn) - Sụt áp cực nhỏ (từ ÷ 2V) - Khả điều khiển lớn * Điều kiện mở: - Tăng dần điện áp phân cực thuận - Phân cực thuận cấp xung điều khiển vào cực G * Điều kiện đóng : - Phân cực ngược - Giảm dịng dẫn xuống dịng trì * Ứng dụng : Dùng mạch chỉnh lưu, nghịch lưu, dùng làm khoá điện tử mạch điều chỉnh điện áp Phương pháp đo, kiểm tra * Phương pháp đo : Dùng đồng hồ vạn vặn sang thang đo điện trở, đặt que đen cố định vào chân que lại đặt vào chân kia, sau dùng dây nối que đen vào chân lại bỏ Nếu trường hợp kim vung lên giá trị điện trở nhỏ giữ nguyên chân que đen cực Anốt, chân nối dây từ que đen cực điều khiển G, chân nối với que đỏ catốt 1.3 tri¸c Ký hiệu, công dụng Là cấu kiện thuộc họ Thyristo Triac có chân cực có khả dẫn điện hai chiều có tín hiệu kích ng (dng hoc õm) Biên soạn : Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Do tính dẫn điện hai chiều nên hai đầu triac dùng để nối với nguồn điện gọi đầu T1 T2 Giữa hai đầu T1 T2 có năm lớp bán dẫn bố trí theo thứ tự P-N-P-N SCR theo chiều Đầu thứ ba gọi cực điều khiển G Như triac coi hai SCR đấu song song ngược chiều với nhau, xem hình sau Hình 1.7: Ký hiệu cấu tạo Triac Điều kiện đóng mở, ứng dụng Theo quy ước, tất điện áp dòng điện quy ước theo đầu T1 Như vậy, điện áp nguồn cung cấp cho T2 phải dương (hoặc âm) so với T1 Cịn tín hiệu điều khiển đưa vào hai chân cực G chân cực T1 Ký hiệu sơ đồ nguyên lý đấu triac mạch mụ t hỡnh sau Biên soạn : 10 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Dòng qua tải qua V2 có độ lớn tăng từ đến cực đại giảm Tại đây, V2 bị ngắt Mạch trở trạng thái 0: Hệ quả: Đối với tải L góc điều khiển π < α < π ta có: 1/- Dòng qua tải bị gián đoạn 2/- Trị hiệu dụng điện áp tải dẫn giải từ hình H3.4 Biên soạn : 66 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện 3/- Trũ hieọu duùng dòng điện qua tải: Trong ứng dụng với tải L, thành phần hài dòng điện có ý nghóa quan trọng: Mạch họat động tải L điều chỉnh với cảm kháng hàm phụ thuộc góc kích: b/- Góc điều khiển α < π Điện áp tải điều khiển Mạch biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động công tắc trạng thái đóng Các linh kiện V V2 dẫn điện với khỏang dẫn linh kiện dòng điện qua tải liên tục Nếu bắt đầu đưa xung kích π vào linh kiện từ vị trí α < lệch pha so với ủieọn aựp moọt goực < Biên soạn : Xung kớch 67 doứng ủieọn Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện can tạo thành dạng chuỗi xung bắt đầu vị trí góc α kết thúc cuối nửa chu kỳ tương ứng áp nguồn xoay chiều Chẳng hạn, dòng tải qua V1 giảm đến V1 bị ngắt Tại vị trí V2 xuất điện áp khóa Do có xung kích tác dụng nên V2 đóng dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lại Do đó, dòng điện tải đổi dấu qua điểm cách liên tục π Hệ quả: Với tải L, α < , biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động công tắc trạng thái đóng điện áp tải áp nguồn xoay chiều Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L vẽ hình H3.3 Trường hợp tải RL (hình H3.5): Tương tự trường hơp tải L, việc phân tích π hoạt động mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển α Giá trị phân biệt trường hợp tải L thay độ lớn gócϕ trường hợp tải RL, ϕ = arctg(ωL/R) Trường hợp α > ϕ - dòng điện tải bị gián đoạn chu kỳ hoạt động chia làm khoảng tương ứng trạng thái sau: Trạng thái 0: mạch không dẫn điện áp khóa tác dụng lên V1 It = ;Uv2 = Iv1 = ; Iv2 = Biên soạn : 68 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện Uv1 = - Uv2 =U > Trạng thái V1 : V1 kích dẫn Trạng thái : mạch không dẫn điện điện áp khóa tác dụng lên V2 : It = ; Ut = Iv1 = ; Iv2 = Uv1 = - Uv2 = Uv2< Trạng thái V2 : V2 kích dẫn Uv1 = - Uv2 = Iv2 = - I ; Ut =U di Ut = R.It + L dt Nghiệm dòng điện, ví dụ khoảng V1 dẫn có dạng Dòng điện qua tải bị gián đoạn Trường hợp α< ϕ - dòng tải liên tục Điện áp tải không điều khiển Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động công tắc trạng thái đóng Điện áp tải áp nguồn xoay chiều có trũù hieọu duùng baống U Xung kớch cho Biên soạn : 69 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện linh kieọn ủửụùc cho dửụựi daùng chuoói xung, vị trí góc điều khiển đến kết thúc nửa chu kỳ tương ứng áp nguồn xoay chiều Đặc tính Ut(α) –xem hình H3.5: phụ thuộc vào tham số RL mạch tải, thay đổi giữặc tính tải điện trở tải cảm L Tính chất tương tự họat động với tải R,L,RL trình bày ngắn gọn bảngs o sánh B3.1 Bảng B3.1 3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiu thnh xoay chiu ba pha Biên soạn : 70 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao ®¼ng ®iƯn Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha dạng đầy đủ (xem hình H3.6) có cấu tạo gồm ba công tắc bán dẫn đấu vào nguồn xoay chiều pha, để thực cung cấp điện cho tải pha Khi công suất tải nhỏ, cặp cơng tắc dùng thyristor thay triac Phân tích hoạt động biến đổi điện áp xoay chiều pha, cho trường hợp tải trở, phức tạp việc theo dõi q trình điện áp dịng điện mạch khó khăn Dạng sóng điện áp dịng điện tải thay đổi khác phụ thuộc vào độ lớn góc điều khiển tham số mạch tải (đối với tải khơng trở) Ngày nay, việc phân tích thực nhờ lập trình mơ máy tính Dạng sóng điện áp dịng điện cho số cấu hình biến đổi xoay chiều phụ thuộc vào góc điều khiển ứng với tải R, RL vẽ minh họa hình H3.7 cho tải R H3.8 cho tải RL nối tiếp Đặc tính điều khiển biến đổi áp xoay chiều pha dạng đầy đủ vẽ hình H3.10 Với tải R, phạm vi điều khiển góc kích nằm khong , 5/6 ); Biên soạn : 71 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện tải L, phạm vi điều khiển góc kích nằm giới hạn (ð /2, 5ð/6 ) Đối với tải RL, phạm vi điều khiển góc kích (arctan L/R , ð/6 ) Xung kích: để đảm bảo q trình kích dẫn thyristor, xung kích thực dạng chuỗi xung vị trí ứng với góc kích cho đền vượt khỏi nửa chu k tng ng mt gúc /6 Biên soạn : 72 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 73 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng điện 3.4 Mch to xung điều khiển 3.4.1 Các mạch điều khiển đơn giản a) Mạch Điều Khiển BBĐ Xoay Chiều – Xoay Chiều *) khái niệm chung Cũng BBĐ xoay chiều – chiều ,trong BBĐ xoay chiều –xoay chiều Ta sử dụng van bán dẫn có điều khiển Vì BBĐ làm việc theo u cầu phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho van Dù sơ đồ dùng tiristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac chu kỳ nguồn ta phải tạo tín hiệu điều khiển lệch góc độ điện 180 tương tự tín hiệu điều khiển van sơ đồ hình tia pha Do lý thuyết sử dụng tất mạch phát xung điều cho chỉnh lưu hình tia pha để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều pha mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều pha Tuy nhiên cần lưu ý đặc tính quan trọng : Đối với sơ đồ chỉnh lưu đối xứng xung điều khiển van quan trọng không yêu cầu khắt khe Nhưng BBĐ xoay chiều – xoay chiều xung điều khiển van , đặc biệt van song song ngược pha phụ tải BBĐ thiết bị làm việc với nguồn cung cấp xoay chiều ,ví dụ động điện xoay chiều máy biến áp…,địi hỏi có độ đối xứng cao Đó góc điều khiển van pha khơng hồn tồn giống đường cong điện áp tải xuất thành phần chiều Mặt khác tổng trở phụ tải thành phần điện áp chiều nhỏ thành phần dòng chiều qua tải lớn Điều ảnh hưởng đến làm việc phụ tải BBĐ, tăng tn tht ph v khụng Biên soạn : 74 Bài giảng : in t cụng sut Lớp Cao đẳng ®iƯn đối xứng tín hiệu điều khiển vượt q giá trị định (phụ thuộc trường hợp cụ thể )thì BBĐ khơng làm việc Như ta ứng dụng sơ đồ hệ thống điều khiển cho BBĐ xoay chiều –một chiều để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều , cần lưu ý đến vấn đề đối xứng xung điều khiển van , ta không xét mạch loại Trong số trường hợp địi hỏi chất lượng cao tín hiệu điều khiển phạm vi điều khiển khơng u cầu rộng ta sử dụng mạh điều khiển đơn giản để giảm giá thành kích thước BBĐ b)Mạch Điều khiển dùng DIODE – biến trở (D-R) ta xét sơ đồ biến đổi điện áp pha pha có mạch điều khiển dùng diode – biến trở hình Trong sơ đồ thi T1 , T2 tiristor động lực ,mạch điều khiển van BBĐ gồm diode D1,D2,D3,D4, điện trở R1,R2 v bin tr WR Ung R2 T1 UdkT1 Biên soạn : UR2 D1 It D2 D3 UdkT1 Zt Ut T2 D2 75 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 76 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 77 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 78 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 79 Bài giảng : in t cụng sut Biên soạn : Lớp Cao đẳng điện 80 ... (vài volt), điện trở R thông lộ gần khơng thay đổi nên dịng ID tăng tuyến tính theo VDS Khi VDS đủ lớn, đặc tuyến khơng cịn tuyến tính R bắt đầu tăng thơng lộ hẹp dần Nếu ta tiếp tục tăng V DS... UAK > UD dịng điện thuận tăng nhanh tăng gần tuyến tính với điện áp UD có giá trị (0,1 ÷ 0,3)V điốt gecmani (0,4 ÷ 0,8)V điốt silic - Phn ngc ca c tuyn Vụn-Ampe: Biên soạn : Bài giảng : in t cụng... tiếp xúc T2 thông sớm Tu? ?? theo trị số dòng IG mà điện áp đánh thủng tiếp xúc T2 trị số dòng điện trì I H thay đổi Khi IG có giá trị lớn UBo nhỏ I H nhỏ Quan hệ thể qua đặc tuyn Vụn-Ampe ca SCR