Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tử 8công nghiệp. Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp. Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu để phát minh ra các linh kiện mới. Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời của Transistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone, giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuật điện tử. Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tín hiệu và điện tử công suất. Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí các tín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số. Nguồn chỉ có tác dụng nuôi linh kiện điện tử. Còn đối với ngành điện tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu về chuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần số dòng công suất. Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của các linh kiện.
Trang 1CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I Giới thiệu lịch sử biến tần
1 Lịch sử phát triển các linh kiện bán dẫn công suất.
Sự phát triển của truyền động điện đã thúc đẩy cho sự phát triển của ngành điện tử8công nghiệp Tuy nhiên những ứng dụng của nó còn nhiều hạn chế vì thiếu linh kiệnđiện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ, tần số hoạt động lớn và đặc biệt có
độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân không, và đèn cơ khí không đáp ứng được nhữngđòi hỏi khắt khe của điện tử công nghiệp Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiêncứu để phát minh ra các linh kiện mới Và mãi đến năm 1948, với sự ra đời củaTransistor do Bardeen, Brattain và Schockley, tại phòng thí nghiệm Bell Telephone,giải thưởng Nobel năm 1956, đã đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kĩ thuậtđiện tử Từ đó ngành điện tử phát triển mạnh mẽ theo hai hướng là kĩ thuật điện tử tínhiệu và điện tử công suất Trong đó ngành kĩ thuật điện tử tín hiệu chủ yếu là xử lí cáctín hiệu qua khuếch đại, điều chế tần số cao, tín hiệu vào được mạch và linh kiện điện
tử xử lí cho tín hiệu ra biến đổi về độ lớn, dạng sóng và tần số Nguồn chỉ có tác dụngnuôi linh kiện điện tử Còn đối với ngành điện tử công suất thì chủ yếu nghiên cứu vềchuyển mạch đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao để thay đổi độ lớn, dạng sóng, tần sốdòng công suất
Dưới đây là bảng tóm tắt về thời gian ra đời cũng như các chỉ số ứng dụng của cáclinh kiện
Trang 2CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Bảng 1.1 Thời gian ra đời và các chỉ số ứng dụng các linh kiện
Linh kiện Năm xuất
hiện
Điện ápđịnh mức
Dòng điện định mức
Tần số địnhmức
Công suấtđịnh mức
Điện áp rơithuậnTiristo(SCR) 1957 6 kV 3,5kA 500Hz 100MW 1.5±2.5V
2 Lịch sử ra đời của biến tần trong công nghiệp
Năm 1986, AIE phát minh ra bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Năm 1962, Bộ điều khiển tốc độ đầu tiên có tính xu hướng thương mại xuất hiệntrên thị trường
3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngàycàng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phậnđáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơđiện
Trang 3CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độđộng cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còncủa chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy,cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vìthế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các
hệ thống điều khiển trong công nghiệp
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông sốnguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đótạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu củaphụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
• Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất
• Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạpcủa cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệthống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độđộng cơ theo phương pháp này
3.1 Luận chứng kinh tế
• Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment
• Trong các bộ điều khiển moment đông cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45%
là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng
• Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổilên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từviệc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ
3.2 Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
• Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt
• Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van
Trang 4CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• Giảm tiếng ồn công nghiệp
• Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ
• Giúp tiết kiệm điện năng tối đa
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổitần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổitần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thứckhác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫnchưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểmchính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suấtlớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra
do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sátnhư: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … màchỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này
4 Phân loại biến tần
Trong thực tế biến tần được phân làm hai loại chính dựa theo phương thức chuyểnđổi tần số là:
Trang 5CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.1.1: Mô hình minh họa sự phát triển biến tần theo thời gian.
5 Vai trò biến tần đa bậc.
Hiện nay biến tần đã và đang được sử dụng rất có hiệu quả trên thế giới nói chung
và tại Việt Nam nói riêng, tuy có nhiều ưu điểm và ứng dụng với hiệu quả cao nhưngbiến tần đơn bậc cũng còn tồn tại một số hạn chế như:
• Sóng điện áp còn nhiều hài bậc cao, chưa gần sin
• Trị số điện kháng Lf mạch lọc còn cao, dẫn đến tổn hao
• Tổn hao trong quá trình đóng cắt (Psw) cao
• Công suất truyền tải còn thấp (Pcond)…
Để khắc phục những hạn chế nói trên người ta đã phát minh ra biến tần đa bậcnhằm phục vụ và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của con người Ưu điểm của biến tần đa bậc
là khắc phục tốt những hạn chế của biến tần đơn bậc, vì là đa bậc nên sóng ra gần sinhơn vì thế giảm bớt hài bậc cao, ít tổn hao Cho dù sóng ra như thế nào thì cũng chỉgần Sin nên ta phải dùng bộ lọc, càng gần Sin thì lọc càng ít, vì thế biến tần đa bậc cótổn hao do dung kháng Lf trong bộ lọc thấp Vì đóng cắt ở tần số cao biến tần đa bậccòn có tổn hao trong thời gian chuyển trạng thái ít, công suất truyển tải nâng cao, côngsuất tổn hao giảm xuống… đó là những ưu điểm vượt trội của biến tần đa bậc so vớibiến tần đơn bậc Trong tương lai khi nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi
Trang 6CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
công suất cao trong những điều kiện tần số khắc khe thì biến tần đa bậc sẽ là một giảipháp tốt, nó có thể đáp ứng tốt những đòi hỏi đặt ra
II Biến tần trực tiếp
1 Giới thiệu
Bộ biến đổi AC-AC là một vấn đề lớn đã được nghiên cứu trong các bộ chuyển đổicông suất trong công nghiệp và được ứng dụng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổicông suất khác Mặc dù bộ biến đổi công suất AC- AC đã được phát triển trong thờigian dài và được sử dụng phổ biến từ sau năm 1930, nhưng tần số đóng ngắt và côngsuất còn thấp Cho đến khi linh kiện điện tử công suất được ra đời, như Turn offthyristors (GTO), Triac, Bipolar Transistor (BT), Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) và Power Mosfield Effect Transistor (MOSFET) và sau đó là biến đổi côngsuất từ AC-DC sau năm 1980 nâng cao tần số đóng ngắt và có thể chuyển đổi công suấtcao Thiết bị nguồn công suất DC hoàn toàn được thay đổi từ sau năm 1960 khi SCRđược sản xuất Tương ứng với mạch điều khiển cũng dần dần chuyển từ tương tự sangđiều khiển bằng hệ thống số sau năm 1980 Các tính toán điều khiển cho tất cả biến tầntrực tiếp AC-AC được nghiên cứu và bàn luận rộng rãi Biến tần trực tiếp AC/AC dùng
để biến đổi một nguồn công suất AC sang một nguồn AC khác Các cách thường dùnghay các dạng như sau:
1 Biến đổi điện áp một pha AC/AC
2 Biến đổi điện áp ba pha AC/AC
3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra (SISO)
4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)
5 Biến tần trực tiếp ba pha vào ba pha ra (TITO)
6 Biến tần đường bao ( Matrix)
Tất cả bộ biến đổi điện áp AC/AC từ nguồn AC với tần số và điện áp cao hơn sangtần số và điện áp thấp hơn với góc trễ pha nhỏ
2 Phân loại biến tần
2.1.Biến tần trực tiếp một pha
Trang 7CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kì gồm hai nhóm: nhóm dương kí hiệu là P vànhóm âm kí hiệu là N Cơ sở của mạch công suất điều khiển điện áp một pha AC-ACvới pha điều khiển như hình 1.a bao gồm 1 cặp SCR ghép nối back to back đối nghịchgiữa nguồn AC và tải cho ta điện áp có dạng sóng đối nghịch hai chiều đối xứng CặpSCR có thể được thay thế bằng Triac như hình 1.b cho nguồn công suất thấp; với sự
bố trí như hình 1.c gồm hai điốt và hai SCR để cung cấp điện áp bình thường cực âmlàm đơn giản mạch qua cửa cần cho sự cách ly Trong hình 1d với 1 SCR và 4 điốt làmgiảm bớt tổn thất nhưng lại tăng thêm sự hao phí vì nhiệt Một sự kết hợp giữa SCR vàĐiốt như hình 1.e, cung cấp điện áp điều khiển ngõ ra không đối xứng một chiều vớiphương thức tự kiểm soát nhưng có cấu thành DC vào và hơn nữa, không thực tế đểloại trừ tổn hao công suất do sự nóng lên của tải
Hình 1.1.2 Mô hình điều khiển điện áp một pha.Hình a) Ghép nối hai SCR Hình b) Sử dụng Triac Hình c)Kết hợp hai SCR và hai Điốt Hình d)Một SCR kết
hợp với 4Điốt Hình e)Sự kết hợp giữa SCR và Điốt.
Dạng sóng trên tải được cho như hình sau: Với là góc kích của SCR
Trang 8CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Sau đây là dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L, trong trường hợp tải trở thì điện
áp tải gián đoạn còn tải R_L thì không còn gián đoạn nữa
Hình 1.1.3 Dạng sóng một pha toàn chu kì với tải trở
Trang 9CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.1.4 Dạng sóng toàn kì một pha tải cảm R_L
Hình 1.1.5 Thời gian điều khiển đóng cắt một pha.
Hình a Thời gian đóng cắt của linh kiện.
Hình b Biểu đồ hệ số công suất
Điện áp ngõ ra có công thức:
Điện áp tức thời
Hệ số công suất (Power factor)
2.2 Biến tần trực tiếp ba pha.
Trang 10CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Ta có các dạng mạch của biến tần trực tiếp ba pha mắc như các hình dưới đây
Trang 11CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.1.6.Sơ đồ mạch điện áp ba pha AC
Trong hình a và b ta thấy sơ đồ mạch ba pha điều khiển các pha độc lập nhau rấtđơn giản Trong hình a chịu dòng và áp một pha trên một đường, trong khi hình b thìchịu dòng trên một đường và áp trên một đường, hệ số công suất trong hình b thìkhông cao, góc điều khiển của cả hai mô hình a và b biến đổi từ 0 đến 180 độ với tải R.Trong hình c và d cho mô hình ba pha ba mạch và khó điều khiển Cả hai mô hìnhtrong mỗi pha có hai SCR, một trong mỗi pha phải luôn luôn dẫn để điều phối dòng
Trang 12CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
giữa tải và nguồn Trong hình e và f thì tải lại ở giữa nguồn và bộ biến đổi, ở đây dòng
có thể chuyển đổi giữa hai dây nếu như có một SCR dẫn, xong mỗi SCR dẫn đều cómột xung kích khác nhau Sóng điện áp và dòng gần giống như là của hình b Hình fthì chỉ có ba SCR và ngay khi chúng dẫn thì nguồn sẽ được nối ngay với tải và mỗiSCR dẫn trong 120 độ Mô hình f thì ít được sử dụng nhưng nó có dòng lớn và nhưtrong trường hợp điều khiển một pha thì ta có thể thay thế sáu SCR bằng ba SCR và bađiốt Trong hình g và h thì tải đấu hình sao và tam giác, hạn chế lớn nhất của hai môhình là điện áp ra có nhiều hài, đặc biệt là hài bậc hai bỡi tính không đối xứng
2.3 Biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra(SISO).
Trái ngược với sự điều khiển điện áp AC tại tần số không đổi đã được bàn luậnnhiều Bộ biến tần trực tiếp hoạt động như bộ biến đổi AC/AC có tần số biến đổi kèmtheo nhưng đặc tính của nó Nguyên lí của bộ chuyển đổi được xây dựng trên dạngsóng điện áp, từ sự gián đoạn điện áp từng khúc của sóng điện áp của nguồn AC tần sốcao và được phát minh từ năm 1920.Bộ nghịch lưu thủy ngân đã được dùng trong các
bộ chỉnh lưu ở Đức năm 1930 với nguồn 1 pha tần số 16 2/3 Hz, trực tiếp kéo tải từnguồn ba pha tần số 50 Hz Trong khi đó bộ biến tần trực tiếp dùng 18 Thyratrons cungcấp 400 Hp tải đã hoạt động trong một vài năm như các mô hình phụ tải ở Mỹ Tuynhiên, thực tế và sử dụng có ích là hai vấn đề khác nhau mà phải đợi mãi tới khi SCR
ra đời năm 1960 Dưới đây là mô hình sử dụng SCR:
Hình 1.1.7 : Cấu trúc bộ biến tần trực tiếp một pha AC/AC
Trang 13CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
a)Mạch công suất của biến tần trực tiếp dạng cầu một pha b) Mạch thay thế tương đương đơn giản hóa.
Với sự hiểu biết và sử dụng rộng rãi của SCR công suất và sự điều khiển bằng vimạch điện tử, bộ biến tần trực tiếp ngày này đã thực sự là bộ biến đổi hoàn thiện chonguồn công suất có tốc độ chậm Sự biến đổi điện áp và biến đổi tần số (VVVF) được
sử dụng trong các hệ thống cần có sự điều khiển chính xác và ổn định như trong các hệthống cán thép và hệ thống chế tạo tàu thủy của hải quân, hệ thống dây chuyền sản xuất
da dày…
Biến tần trực tiếp dần dần được thay thế bỡi bộ chuyển đổi khác vì với những đặctính của nó không thực tế và có những hạn chế không giống như bộ biến đổi SCR vàđược thay thế dần Tại vì SCR có những hạn chế như nhu cầu về thời gian đóng cắtkhông đáp ứng, tần số hoạt động thấp, thời gian dV/dt và độ nhạy của SCR còn thấp.Hạn chế chính của biến tần trực tiếp là dải hoạt động tần số có hiệu quả hẹp, độ biếnđổi ngõ vào trên ngõ ra có điện áp thấp
Trang 14CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.1.8 Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ biến tần trực tiếp tải trở tần
số 50- 16.2/3 Hz.
Hình 1.1.9 Dạng sóng biến tần trực tiếp một pha vào một pha ra tần số 50/10
Hz với tải trở Hình a Dạng sóng điện áp tải và dòng tải, Hình b Dạng sóng dòng
công suất biến đổi.
Tuy ít khi được sử dụng, nhưng biến tần trực tiếp dạng SISO thì có ích để giảithích cho những nguyên lí phức tạp hơn
2.4 Biến tần trực tiếp ba pha vào một pha ra (TISO)
Trang 15CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.2.1 Biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng cung cấp một pha tải
Trang 16CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.2.2 Dạng sóng biến tần trực tiếp ba pha nửa sóng với dòng tuần hoàn
Trong hình 9 cho thấy sơ đồ của mạch điều khiển biến tần trực tiếp ba pha nửasóng cung cấp một pha tải Nguyên lí điều khiển giống như điều khiển một pha Hình
10 cho thấy dạng sóng đặc trưng của mạch có chỉ số đập mạch bằng p = 3 với dòngđiện liên tục Mỗi bộ chuyển đổi quản lí với sự chỉnh lưu và cách thức tạo ra áp tải và hai bộ chuyển đổi để giảm độ gợn sóng trong quá trình điều khiển Dạng sóng cơ bảnsinh ra ở hai bộ chuyển đổi là giống nhau, điện áp sinh ra khác nhau giữu điện áp bộbiến đổi và điện áp sinh ra bỡi độ tự cảm( thường không đáng kể với mạch điện trở) làdòng liên tục
2.5 Biến tần đường bao ( Matrix cyclyconverter)
Dạng sóng của bộ biến tần này là đường bao của các sóng vào nên nó có tên là biếntần đường bao Có thể điều khiển bộ biến tần này sao cho các tình trạng dẫn hoàn toànnhư các điốt, việc điều khiển các tiristo được tiến hành trong khoảng nửa chu kì làmviệc Ta nhận thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra đơn giản hơn các đơn
Trang 17CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
giản hơn bộ biến tần điều khiển pha như trình bày các phần trên Tuy nhiên nó cũng cómột vài hạn chế, vì sóng ra có xu hướng trở nên hình chữ nhật nên xuất hiện điều hòabậc cao Tỷ số tần số ra trên tần số vào không thay đổi một cách tùy ý mà phải là sốnguyên Một tải có hệ số công suất chậm sau hay vượt trước, tùy theo từng khoảng thờigian phải cho nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch lưu với hế cốcông suất tải bằng 1 hay gần bằng 1 Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi sáu nửa chu kì với cácđiện áp pha khác nhau có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên để có tỷ số tần số3/1 khi đó sóng ra gần sin hơn
Trang 18CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Hình 1.2.3 Dạng sóng điện áp tải biến tần trực tiếp đường bao sáu pha.
Trang 19CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH1.IC 555
-IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung
vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độrộng xung Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là nhữngmạch dao động khác Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất
Hình 2.1.1 IC 555
Các thông số cơ bản của IC 555:
+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
Trang 20CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
Sơ đồ chân IC555:
Hình 2.1.2 Sơ đồ chân IC 555 + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân
chung
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng
như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của
tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì
ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này
có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác
và cũng được dùng như 1 chân chốt
Trang 21CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều
khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC
hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555)
Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động:
-Cấu tạo:
Hình 2.1.3 cấu tạo bên trong ic 555
Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):
- 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp
- Transistor để xả điện
- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp
Trang 22CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân
S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1]
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1], transisitor mở dẫn, cực
C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2
Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C
Trang 23CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !
- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C
- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C
nhảy xuống dưới 2Vcc/3
Trang 24CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3
Nói tóm lại các bạn cứ nên hiểu là :
Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)
- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C
- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C
- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện
Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :
f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))
+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì :
Trang 25CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
đó ta tính được R1 Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 =
33k (Tính toán theo công thức)
Trang 26CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
Hình 2.1.7 Các ngõ ra của IC 4017
-Chỉ có một ngõ ra được kích mức cao tại một thời điểm
-Bạn có thể thấy được ra ngõ ra ÷10 output sẽ mức cao cho lượt đếm 0 > 4 và ở mức thấp khi đếm 5 > 9
Trang 27CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
-IC này rất hữu dụng khi bạn tạo những ứng dụng liên quan đến Timer, khi bạn đã quendùng nó, bạn sẽ nghĩ được khá nhiều ứng dụng hay đó
-Từ chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11 tương ứng với 10 xung đầu ra của 4017.Các chân này được xuất ra mức 1 khi số xung được đếm tương ứng với thứ tự các chân đầu ra.-Chân 15 là reset Khi chân này tác động ở mức 1 thì đếm sẽ bị reset về đầu
-Chân 14 là chân xung đầu vào và đếm ở sườn dương
-Chân 13 là chân xung đầu vào và đếm ở sườn âm
-Chân 12 là chân xung báo hiệu đã đếm xong 1 chu kì đếm (có nghĩa là khi 4017 đếm
từ 1 đến 5 thì chân 12 ở mức 1 và 4017 đếm từ 6 đến 10 thì chân 12 ở mức 0)
-Chân 8 nối mass với 16 nguồn điện, điện áp cung cấp từ 3V đến 15V
3 Transistor C1815
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối
tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu
ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo
Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau
Hình 2.1.8 transistor
• Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E
• Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và
E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E
Trang 28CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
• Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E
đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc
này dòng IC = 0 )
• Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-)tạo thành dòng IB
• Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làmbóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
• Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức
IC = β.IB
• Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
• IB là dòng chạy qua mối BE
• β là hệ số khuyếch đại của Transistor
* Xét hoạt động của Transistor PNP
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ
E sang B
4.Tụ điện
- Tụ điện là một linh kiện quan trọng trong số 5 linh kiện thiết bị điện tử, tụ điện không
thể thiếu trong các mạch lọc, mạch dao động và mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều, cấu tạo và hoạt động cũng như ứng dụng của tụ điện là rất cần thiết
Trang 29CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
Hình 2.1.8 Tụ điện
- Tụ điện là linh kiện được cấu tạo bởi 2 bản cực đặt song song, có tính chất cách điện một chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp
- Tụ điện có cấu tạo cơ bản là 2 bản cực kim loại đặt song song, tùy theo lớp cách điện
ở giữa 2 bản cực là gì thì tụ có tên gọi tương ứng
- Có 2 loại tụ chính là tụ giấy, tụ gốm và tụ hóa Tụ giấy và tụ gốm là các tụ không phân cực và có trị số nhỏ < 470 NanoFara, còn tụ hóa thường có trị số lớn từ 0,47 Micro Fara đến hàng nghìn Micro Fara và tụ hóa có phân cực âm dương
5.Diode
5.1 Giới thiệu
-Diode bán dẫn là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua
nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn
-Nối P – N gồm 2 miền bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau trong cùng 1 tinh thể Trước khi tiếp xúc 2 miền P – N đều ở trạng thái trung hòa điện Khi tiếp xúc nhau hiện tượng khếch tán xảy ra, theo đó điện tử ở chất bán dẫn N qua mặt nối và tái hợp với lỗ trống, ngược lại một số lỗ trống ở chất bán dẫn P qua mặt nối và tái hợp với điện
tử Sự khuếch tán đến một lúc thì ngưng lại bởi vì điện tích dương này không cho lỗ
Trang 30CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
trống khuếch tán qua mặt nối vào chất bán dẫn N và điện tích âm này không cho điện
tử khuếch tán qua mặt nối vào chất bán dẫn P
-Sự phân bố điện tích hai bên mối nối tạo thành một điện thế gọi là rào điện thế và vùng này không có hạt dẫn điện gọi là vùng hiếm hay vùng điện tích không
5.2 Phân loại
- Diode nắn điện: có chữ số bắt đầu là 1N Trên thân có vòng màu trắng là Catot.
- Diode tách sóng có thân là thủy tinh trên thân Diode có chữ số bắt đầu là 1N Trên thân có vòng màu đen là Catot
- Ứng dụng của Diode là chỉnh lưu, tách sóng,…
- Công dụng của Diode là dùng để nắn dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều và để tách sóng
5.2.1 Diode chỉnh lưu
+ Hình dạng và kí hiệu
Hình 2.1.9 Hình dạng và kí hiệu