Đồ án môn học mạch điện tử thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha

Yêu cầu của mạch điều khiển có thế tóm tắt trong 6 điểm chính sau:  Độ rộng xung điều khiển  Độ lớn xung điều khiển  Yêu cầu về độ dốc của răng  Sự đối xứng của xung trong các kênh đ

ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ

I Mục tiêu

1.1 Mục tiêu chung:

- Sinh viên nắm được quy trình thiết kế mạch điện tử ứng dụng

- Sinh viên rèn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, thi công mạch điện tử

1.2 Mục tiêu cụ thể:

- Kiến thức: nắm vững nguyên lý hoạt động của mạch dao động

- Kỹ năng: phân tích và thiết kế mạch, mô phỏng mạch bằng các phần miềm môphỏng, xây dựng mạch phần cứng

- Thái độ: lên lớp đúng giờ, hoàn thành các phần đồ án đúng giờ, có thái độ tíchcực chủ động và tinh thần hợp tác khi làm việc nhóm

II Nội dung đồ án:“Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha”

Sản phẩm của đồ án bao gồm bản thuyết minh và mạch thực tế

Bản thuyết minh gồm các phần sau:

Chương I: Nguyên lý hoạt động của mạch

Chương II: Thiết kế mạch nguyên lý và mô phỏng mạch

Chương III: Tính chọn linh kiện sử dụng trong mạch

Chương IV: Chế tạo mạch thực tế

III Tài liệu tham khảo

[1] Bài giảng mạch điện tử - TS.Lê Quốc Huy

[2] Giáo trình Điện tử công suất – Trần Văn Thịnh (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹthuật 2009)

Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

Trần Thái Anh Âu

Kiểm tra tiến độ thực hiện đồ án của sinh viên:

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 ỨNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 4

1.1 Ứng dụng của mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha 4

1.1.1 Yêu cầu của mạch điều khiển 4

1.1.2 Nhiệm vụ của mạch điều khiển 4

1.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển 5

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 8

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR 8

2.2 Nguyên lý hoạt động của từng khâu trong mạch 9

2.2.1 Nguyên lý hoạt động khâu đồng pha 9

2.2.2 Nguyên lý khâu so sánh 10

2.2.3 Nguyên lý hoạt động khâu tạo xung chùm 11

2.2.4 Nguyên lý hoạt động khâu khuếch đại 13

2.3 Sơ đồ mạch điều khiển 13

14

14

14

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 16

3.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 16

3.1.1 ĐIỆN TRỞ 16

3.1.2 Biến trở 17

3.1.3 Tụ điện 17

3.1.4 Diode 18

3.1.5 TRANSISTOR 19

3.1.6 OPAMP 20

3.2 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LINH KIỆN TRONG MẠCH 22

3.2.1 Tính máy biến áp xung 22

3.2.2 Tính khâu khuếch đại xung 24

3.2.3 Chọn cổng AND 25

3.2.4 Chọn tụ C 3 v à R 9 26

3.2.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm 27

3.2.6 Tính chọn tầng so sánh 28

3.2.7 Tính chọn khâu đồng pha 28

3.2.8 Tạo nguồn nuôi 29

3.2.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha 30

3.2.10 Chọn các diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: 33

3.3 CHẠY MÔ PHỎNG MẠCH 33

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MẠCH THỰC TẾ PHÂN TÍCH YÊU CẦU 35

4.1 THIẾT KẾ MẠCH IN 35

MỞ ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sản suất Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều Trong khi đó năng lượng điệu một chiều không kém phần quan trọng như:

+ Truyền điện cho động cơ điện một chiều

+ Cung cấp cho các mạch điện tử, sạc acquy.

Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ chỉnh lưu.

Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trên tải Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều nhất định như: Diod, Tiristor…

Có 2 loại chỉnh lưu:

+ Chỉnh lưu không điều khiển (Diod): Không thay đổi được điện áp trên tải.

+ Chỉnh lưu có điều khiển (Tiristor): Thay đổi được điện áp trên tải.

Ở đây, ta chỉ xét về bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển.

CHƯƠNG 1 ỨNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 1.1 ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA.

1.1.1 Yêu cầu của mạch điều khiển.

Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai trò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi

Yêu cầu của mạch điều khiển có thế tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

 Độ rộng xung điều khiển

 Độ lớn xung điều khiển

 Yêu cầu về độ dốc của răng

 Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

 Yêu cầu về độ tin cậy:

Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không tự mở khi dòng rò tăng Xung điều khiển ít phụ thuộc vào giao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn Cần khử được nhiều cảm ứng để tránh mở nhầm.

Yêu cầu về lắp ráp và vận hành:

 Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

 Mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao

Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo ra các xung ở vào những thời điểm mongmuốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu

Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và

có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa

Chức năng của mạch điều khiển:

+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương củađiện áp đặt trên anot – katot của thyristor

+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor, độ rộng xung

tx < 10µs Biểu thức độ rộng xung:

t x=I dt di dt

Trong đó: Idt là dòng điện duy trì của thyristor

di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.

Đối tượng cần điều chỉnh được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α

1.2 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Mạch điều khiển thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạch điềukhiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có 2 nguyên lý khống chếngang và khống chế đứng

Khống chế ngang là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyểnđiện áp sang hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa

 Nhược điểm của phương pháp này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp vàtần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp

 Khống chế đứng là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyểnđiện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa

 Phương pháp này có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng (0-180o)

 Có 2 phương pháp điều khiển thẳng đứng là: tuyến tính và arccos:

 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG TUYẾN TÍNH:

Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:

 Điện áp đồng bộ Us, đồng bộ với điện áp đặt trên anod – catod của thyristor,thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh

 Điện áp điều khiển Uđk, là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên

độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh

Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:

Ud = Uđk – UsKhi Us = Uđk thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển.

Us

k ω t

Uđ k

Us

-Us

Người ta lấy Uđk max = Us max

 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG ARCCOS:

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp:

 Điện áp đồng bộ Us vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc

Khi Us = Uđk , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái.

Um Cosα = Uđk ;

Do đó α = arcos(

U cm

U m ) ; Khi Ucm = Um thì α = 0 ;

Đồng pha

Tạo xung

So sánh Uđk

T

Khi Ucm = 0 thì α =

π

2 ; Khi Ucm = - Um thì α = π ;

Hình 1.2

Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết

bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao.

Ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR

Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạchđiều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển Thyristor.

 NHIỆM VỤ CỦA CÁC KHÂU TRONG HÌNH TRÊN NHƯ SAU:

 Khâu đồng pha:

Tạo điện áp tựa URC (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng phavới điện áp anod của Thyristor

 Khâu so sánh:

So sánh giữa điện áp tựa URC với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện

áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại

 Khâu tạo xung:

Tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trướcdốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển(thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật), đủ độ rộng với độ rộngxung lớn hơn thời gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiểnvới mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn)

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG KHÂU TRONG MẠCH.

Dùng khuếch đại thuật toán:

Hình 2.2 Sơ đồ khâu đồng pha

Sóng UA có dạng hình sin

Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1.

Ura u1

D1

A2

R1 A

+12

-12

+12

-12+

 Xét nửa chu kì dương của UA:

Khi vA > 0 thì op-am A1 có v+ > v- (v-=0 do nối đất) nên ta có: vB = vsat

 Xét nửa chu kì âm của UA:

Khi vA < 0 thì op-am A1 có v+ < v- (v-=0 do nối đất) nên ta có: vB = -vsat

t

v B dt

Vì vB không đổi trong khi vB > 0 nên: v C=−v B

R3C1∫0

Dùng khuếch đại thuật toán:

Đối với sơ một đồ mạch, để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng sốlượng cho xung kích mở, nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn, người tahay phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vàotầng khếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng sosánh và từ bộ phát xung chùm như hình vẽ.

Ngõ ra của cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các ngõ vào đều ở mức cao Saukhi qua cổng AND, ta được UF

xung chùm

AND

Từ so sánh

Từ chùm xung

Tới khếch đại

Hình 2.7 Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khuếch đại thuật toán.

Giả sử lúc đầu vo = vE = vsat

và lúc này tụ C2 lại nạp điện

Quá trình nạp và xả tiếp nối luân phiên như vậy tạo nên chùm xung đa hài UE

Hình 2.8 Dạng sóng U E

2.2.4 Nguyên lý hoạt động khâu khuếch đại

Hình 2.9 Sơ đồ khâu khuếch đại

Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất như hình

vẽ Để có xung dạng kim gửi đến thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr2, diode D2 và D3 bảo vệ Tr2 và cuộn dây sơ cấp BAX khi Tr2 khóa đột ngột.

Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng 10 đến

200 μss), mà thời gian mở thông các transistor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kì _ 0.01 s), làm cho công suất tỏa nhiệt dư của transistor quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp BAX lớn Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX, ta có thể thêm tụ nối tầng C3 Theo sơ đồ này, Tr2 chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần.

2.3 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Đồ án môn học mạch điện tử GVHD: Ths Trần Thái Anh Âu

Hoạt động của mạch điều khiển ở hình vẽ được giải thích như sau:

Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với anod của thyristor, qua khuếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điode D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1, kết quả

là A2 bị ngắn mạch ( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc gián đoạn.

Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3 Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 Trong khoảng thời gian từ 0 → t1 với Uđk > Urc , điện áp UD âm Trong khoảng t1

→ t2, điện áp Uđk và Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự

Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao, với điện áp

UE trên hình vẽ Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz, ở đây chỉ mô tả định tính.

Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE (Trong các khoảng t1 → t2 , t4 → t5) ta

sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở thyristor T

Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển, của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt

Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các thyristor rất tiện lợi Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thị trường.

3.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH.

Trong đó: R là điện trở có đơn vị là Omh (Ω))

L là chiều dài của dây

S là tiết diện của dây dẫn

 Điện trở thực tế và trong các mạch điện tử:

Hình dáng và kí hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tửkhông phân cực nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử , chúng được

làm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỉ lệ mà tạo ra các con điệntrở có điện dung khác nhau.

Hình 3.1 Hình dạng của điên trở trong mạch điện tử

Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rất rộng rãi trong các mạchđiện tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiểu, mạch truyền tín hiệu, mạchxoay chiều, mạch dao động …

Khái niệm: Tụ điện là linh kiện cản trở và phóng nạp khi cần thiết và được đặctrưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp:

XC = 2 πfC1

Kí hiệu của tụ ddien trong sơ đồ nguyên lí là:

Hình 3.4 Ký hiệu tụ điện

3.1.4 Diode

Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có 2 cực là Anot

và Ktot Nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều từ Anot (A) sang Ktot (K) và nóđược coi như là van môt chiều trong mạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong cácmáy thu thanh truyền hình, mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp

 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn.

 Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫntheo

một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm:

 Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếchtán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Iontrung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữahai chất bán dẫn

Hình 3.5 Cấu tạo diode bán dẫn

Hình 3.6 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

 Ứng dụng của Diode bán dẫn.

Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong cácmạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim ápphân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợpthành Diode cầu

Hình 3.7 Cấu tạo Transistor

Ba lớp đó được chia thành 3 cực: lớp giữa gọi là cực gốc kí hiệu là B (Base),còn hai lớp bên ngoài nối thành cực phát Evà cực thu là C Cực B rất mỏng và có nồng

độ tạp chất thấp, còn vùng bán dẫn E và C có bán dẫn xùng loại (N hay P) nhưng cónồng độ tạp chất khác nhau nên ko thể hoán vị được Transitor hoạt động như là mộtkhóa điện tử trong đó B là cực điều khiển Dòng EC phụ thuộc hoàn toàn vào điện ápđưa vào B

Kí hiệu trong các sơ đồ nguyên lý:

Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cảnhững tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt

Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng mộtphiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao

Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễdàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá)

Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại nhữngnguồn tín hiệu có công suất bé

Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải