thiết kế mạch điều khiển thyristor

LỜI NÓI ĐẦU Trong sống đại, hầu hết trang thiết bị tạo để phục vụ cho đời sống người với nguồn lượng tiêu thụ chủ yếu điện Các thiết bị sử dụng chia thành loại chính: thiết bị điện chiều thiết bị điện xoay chiều Thiết bị điện chiều có nhiều ứng dụng vô tuyệt vời sống Vì vậy, cần biến đổi lượng điện xoay chiều thành lượng điện chiều, để làm điều này, ta dùng chỉnh lưu Chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều, nghĩa biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều tải Sự biến đổi thực nhờ thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện qua theo chiều định như: Diod, Tiristor… Thông thường mạch chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn sử dụng Trisistor đề tài ta nghiên cứu với cách mắc theo sơ đồ hình tia tức sơ đồ số van dùng cho chỉnh lưu số pha nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu Các van đấu chung đầu với A chung K chung Trong trình làm đồ án chúng em nhận giúp đỡ bảo tận tình thầy Trần Thái Anh Âu giúp chúng em hoàn thành đồ án Tuy nhiên đồ án bọn em làm nên khơng tránh khỏi sai sót Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy hi vọng thầy tiếp tục giúp đỡ chúng em việc học tập chúng em sau Nhóm sinh viên thực đồ án (…) MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG Mục tiêu: 1.1 Mục tiêu chung: - Sinh viên nắm quy trình thiết kế mạch điện tử ứng dụng - Sinh viên rèn luyện kỹ phân tích, thiết kế, thi công mạch điện tử 1.2 Mục tiêu cụ thể: - Kiến thức: nắm vững nguyên lý hoạt động mạch dao động - Kỹ năng: phân tích thiết kế mạch, mô mạch phần mềm mô - phỏng, xây dựng mạch phần cứng Thái độ: lên lớp giờ, hoàn thành phần đồ án giờ, có thái độ tích cực chủ động tinh thần hợp tác làm việc nhóm Nội dung đồ án: - Thiết kế “Mạch điều khiển cho hệ thống chỉnh lưu điện pha” – sản phẩm đồ án bao gồm thuyết minh mạch thực tế Bản thuyết minh gồm phần sau:  Chương 1: Yêu cầu ứng dụng mạch  Chương 2: Nguyên lý chung nguyên lí hoạt động khâu  Chương 3: Tính tốn số liệu khâu  Chương 4:Chọn giới thiệu linh kiện mạch  Chương 5:Mô mạch Proteus TÀI LIỆU THAM KHẢO Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất – P1 (Trần Văn Thịnh) Giáo trình Mạch điện tử (Lê Quốc Huy) CHƯƠNG YÊU CẦU VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH 1.1 YÊU CẦU CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU PHA Mạch điều khiển khâu quan trọng biến đổi thyristor đóng vai trò chủ đạo quan trọng việc định chất lượng độ tin cậy biến đổi Yêu cầu mạch điều khiển tóm tắt điểm sau:  Biên độ xung điều khiển  Yêu cầu độ dốc  Sự đối xứng xung kênh điều khiển  Yêu cầu độ tin cậy Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor khơng tự mở dòng rò tăng Xung điều khiển phụ thuộc vào giao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn Cần khử nhiều cảm ứng để tránh mở nhầm Yêu cầu lắp ráp vận hành:  Thiết bị thay dễ lắp ráp điều chỉnh  Mỗi khối có khả làm việc độc lập cao 1.2 ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo xung vào thời điểm mong muốn khâu khác để mở van động lực chỉnh lưu Sau đó, thyristor mở cho dòng điện chạy qua có điện áp dương đặt anốt có xung áp dương đặt vào cực điều khiển khơng tác dụng Ứng dụng mạch điều khiển: + Điều chỉnh vị trí xung điều khiển phạm vi nửa chu kỳ dương điện áp đặt anot – katot thyristor + Tạo xung đủ điều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx < 10µs Biểu thức độ rộng xung: Trong đó: Idt dòng điện trì thyristor di/dt tốc độ tăng trưởng dòng tải Đối tượng cần điều chỉnh đặc trưng đại lượng điều khiển góc CHƯƠNG NGUYÊN LÍ CHUNG VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG TỪNG KHÂU 2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển thyristor phân loại theo nhiều cách Song mạch điều khiển dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha theo ta có nguyên lý khống chế ngang khống chế đứng Khống chế ngang phương pháp tạo góc thay đổi cách dịch chuyển điện áp sang hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa  Nhược điểm phương pháp góc phụ thuộc vào dạng điện áp tần số lưới, độ xác góc điều khiển thấp  Khống chế đứng phương pháp tạo góc thay đổi cách dịch chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa  Phương pháp có độ xác cao khoảng điều khiển rộng (0-180o)  Có phương pháp điều khiển thẳng đứng là: tuyến tính arccos: 2.1.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Theo nguyên tắc người ta thường dùng hai điện áp:  Điện áp đồng Us, đồng với điện áp đặt anod – catod thyristor, thường đặt vào đầu đảo khâu so sánh  Điện áp điều khiển Uđk, điện áp chiều , điều chỉnh biên độ Thường đặt vào đầu không đảo khâu so sánh Do hiệu điện đầu vào khâu so sánh là: Ud = Uđk – Us Khi Us = Uđk khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận sường xuống điện áp đầu khâu so sánh Sườn xuống thông qua đa hài trạng thái bền ổn định tạo xung điều khiển Us Uđ k -Us α Usm Uđk π α Hình 2.1 π ω t Như cách làm biến đổi Uđk, ta điều chỉnh thời điểm xuất xung ra, tức điều chỉnh góc α Giữa α Uđk có quan hệ sau: Người ta lấy Uđk max = Us max 2.1.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Theo nguyên tắc người ta dùng hai điện áp:  Điện áp đồng Us vượt trước UAK = Um Sinωt thyristor góc  Us = Um Cosωt  Điện áp điều khiển Uđk điện áp chiều, điều chỉnh biên độ theo hai chiều dương âm Nếu đặt U s vào cổng đảo Uđk vào cổng khơng đảo khâu so sánh thì: Khi Us = Uđk , ta nhận xung mảnh đầu khâu so sánh khâu lật trạng thái Um Cosα = Uđk ; Do : α = arcos( ) ; Khi Ucm = Um α = ; Khi Ucm = α = ; Khi Ucm = - Um α = π ; Hình 2.2 Như , điều chỉnh U cm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta điều chỉnh góc α từ đến α Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” sử dụng thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao Ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI Mạch điều khiển Tiristor thường có khâu bản: - - Khâu đồng pha: (ĐF) nhằm tạo điện áp cưa tuyến tính có pha trùng với pha điện áp Anot Tiristor Khâu so sánh (SS): khâu có nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm điện áp thời điểm phát xung đầu để chuyển sang tầng khuếch đại Khâu tạo xung –khuếch đại (TX-KĐ): có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor Xung phải đảm bảo yêu cầu như: sườn trước có dốc thẳng đứng đảm bảo Tiristor mở tức thời có xung điều khiển ; đủ cơng suất; xung điều khiển có biên độ, độ rộng xung đủ để mở Tiristor cách tin cậy chế độ làm việc tải toán dải điều chỉnh hệ Mặt khác để giảm công suất cho tầng khuếch đại tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo Tiristor mở cách chắn người ta hay phát xung chùm cho Tiristor Nguyên tắc phát xung chùm trước vào tầng khuếch đại ta đưa thêm cổng AND , với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh từ phát xung chùm Cấu trúc tạo xung sau: T ĐF SS AND TX-KĐ TXC Hình 2.3: Sơ đồ khâu mạch điều khiển Như vậy, thiết kế mạch điều khiển đồng nghĩa với việc tính chọn khâu sơ đồ Sau ta sâu vào khâu Đồng thời ta tính tốn số liệu khâu sau ta chọn loại linh kiện cho phù hợp với thong số tính tốn tiến hành mơ proteus làm mạch thực tế 2.3 NGUYÊN LÍ KHÂU ĐỒNG PHA Dùng khuếch đại thuật toán: A u1 R1 +12 +A1 - Tr1 R2 B D1 R3 Hình 2.4 Sơ đồ khâu đồng pha C1 -12 _ A2 + +12 C đầu, sóng U1 có dạng hình sin, lấy từ nguồn xoay chiều pha U A điện áp sau qua máy biến áp để phù hợp với điện ám vào opamp A1 (Opamp chết độ so sánh) Sau dòng qua điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khuếch đại thuật tốn A1  Xét nửa chu kì dương UA: Khi vA > op-am A1 có v+ > v- (v-=0 nối đất) nên ta có: vB = vsat  Xét nửa chu kì âm UA: Khi vA < op-am A1 có v+ < v- (v-=0 nối đất) nên ta có: vB = -vsat Khi ta có dạng sóng UB.(Xét opamp chế độ tích phân)  Khi vB > diode D1 dẫn, transistor Tr1 không dẫn, ta xét mạch tích phân gồm: biến trở R3 , tụ C1 op-am A2, lúc áp dụng cơng thức tích phân ta có: -12  Ura Ban Vì vB khơng đổi vB > nên: Khi vB < diode D1 khơng dẫn, transistor Tr1 dẫn, vòng mạch gồm transistor Tr1 tụ C, lúc vB có tác dụng tác động vào cực n transistor Tr1 làm cho phân cực lúc chế độ làm việc đóng cắt cơng tắc Mặt khác, tụ điện tích điện từ nửa chu kì dương thấy transistor mở chạy từ cực E qua C làm cho ngắn mạch khoảng thời gian nhỏ xem xảy xa tạo dòng vC = Ta có dạng sóng URC Hình 2.5 Dạng sóng UA, UB, UC Tóm tắt nguyên lí hoạt động khâu : nửa chu kỳ âm điện áp đồng pha, điện áp A1 có dạng xung dương hình chữ nhật (tức điện áp dương), điốt D1 thơng có tín hiệu đưa vào khâu tích phân đảo A2 nửa chu kỳ dương điện áp đồng pha , điện áp sau A1 âm điốt D1 bị khố , Transistor thơng tụ điện C xả ngắn mạch qua Transistor Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình cưa hình vẽ Đặc điểm: sơ đồ dùng OA gọn nhẹ, dạng xung cưa có chất lượng cao, đảm bảo đồng pha với điện áp nguồn, tạo điều kiện mở tiristor cách xác, dễ đối xứng kênh điều khiển Sơ đồ ưu việt hẳn sơ đồ tiêu kỹ thuật ta chọn sơ đồ khâu đồng pha cho mạch điều khiển 10 Khái niệm: Tụ điện linh kiện cản trở phóng nạp cần thiết đặc trưng dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp: XC = Kí hiệu tụ ddien sơ đồ ngun lí là: Hình 4.4 Ký hiệu tụ điện Trong mạch ta có sử dụng tụ có giá trị gần khơng phải giá trị tụ có ngồi thực tế 1.1.4 Diode Diode cấu tạo từ lớp bán dẫn tiếp xúc với Diode có cực Anot Ktot Nó cho dòng điện theo chiều từ Anot (A) sang Ktot (K) coi van môt chiều mạch điện ứng dụng rộng rãi máy thu truyền hình, mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp  Tiếp giáp P - N Cấu tạo Diode bán dẫn  Khi có hai chất bán dẫn P N, ghép hai chất bán dẫn theo tiếp giáp P - N ta Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm:  Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống => tạo thành lớp Ion trung hoà điện => lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Hình 4.5 Cấu tạo diode bán dẫn 29 Hình 4.6 Ký hiệu hình dáng Diode bán dẫn  Ứng dụng Diode bán dẫn Do tính chất dẫn điện chiều nên Diode thường sử dụng mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành chiều, mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động mạch chỉnh lưu Diode tích hợp thành Diode cầu  Trong đề tài ta chọn diode 1N4007 có thơng số sau: - Dòng điện: 1A - Điện áp chịu đựng: 1000V - Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC 1.1.5 TRANSISTOR Là linh kiện điện tử cấu tạo từ chất bán dẫn dùng để khuếch đại tín hiệu Cấu tạo: Gồm lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N Nếu ghép thep thứ tự PNP ta có tran si trỏ thuân,nếu ghép theo thứ tự NPN ta có Transitor nghịch Về phương diện cấu tạo transitor tương đương với hai Diode có dấu ngược chiều 30 Hình 4.7 Cấu tạo Transistor Ba lớp chia thành cực: lớp gọi cực gốc kí hiệu B (Base), hai lớp bên ngồi nối thành cực phát Evà cực thu C Cực B mỏng có nồng độ tạp chất thấp, vùng bán dẫn E C có bán dẫn xùng loại (N hay P) có nồng độ tạp chất khác nên ko thể hoán vị Transitor hoạt động khóa điện tử B cực điều khiển Dòng EC phụ thuộc hồn tồn vào điện áp đưa vào B Kí hiệu sơ đồ nguyên lý: Hình 4.8 Hình dạng kí hiệu Transitor Trong mạch điện tử có hình dạng sau: 31 Hình 4.9 Hình dạng transitor ▶ Ở mạch theo sơ đồ ta có sử dụng transistor : loại PNP loại NPN Theo thực tế ta chọn: +) Transistor loại NPN C1815 với thông số - UCmax=50V , ICmax=150mA - Hệ số khuếch đại hFE transistor C1815 khoảng 25 ~ 100 +) Transistor loại PNP A1015 với thơng số - Uc cực đại = -50V dòng Ic cực đại = -150mA - Hệ số khuếch đại hFE transistor A1015 khoảng 70 ~ 400 4.1.1 OPAMP Đây vi mạch tương tự thông dụng Op-Amps tích hợp số ưu điểm sau: Hai ngõ vào đảo không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hố-điện, dòng điện sinh học thường nguồn có tính đối xứng) Ngõ khuếch đại sai lệch hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu cao tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào lúc xuất ngõ Cũng lý Op-Amps có khả khuếch đại tín hiệu có tần số thấp, xem tín hiệu chiều Hệ số khuếch đại Op-Amps lớn cho phép Op-Amps khuếch đại tín hiệu với biên độ vài chục mico Volt Do mạch khuếch đại vi sai Op-Amps chế tạo phiến độ ổn định nhiệt cao Điện áp phân cực ngõ vào ngõ khơng khơng có tín hiệu, dễ dàng việc chuẩn hoá lắp ghép khối (module hoá) Tổng trở ngõ vào Op-Amps lớn, cho phép mạch khuếch đại nguồn tín hiệu có công suất bé Tổng trở ngõ thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải 32 Băng thông rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác Tuy nhiên vi mạch khác, Op-Amps làm việc ổn định làm việc với tần số cơng suất cao  Hình dạng kí hiệu Op-Amp: Trong sơ đồ mạch điện: Hình 4.10 ki hiệu Op- Amp Trong mạch điện tử có hình dạng sau: Hình 4.11 Hinh dạng OpAmp ▶ Opamp mà ta dùng đề tài gồm ta dùng IC TL084N tổ hợp op-amp có thơng số sau đây: Hình 4.12 Sơ đồ chân IC TL084N - Chức IC: Bộ khuếch đại thuật toán Op-amp Điện áp sử dụng max: +/-1.5V ~ +/-18V Độ rộng băng thông: MHz 33 - Kiểu chân: Dip 14 4.1.2 CỔNG AND Kí hiệu: Cấu tạo: Hình 4.13 : Cấu tạo AND Chức năng: Cổng AND cổng logic dùng để thực hàm AND hai hay nhiều biến Cổng AND có ngõ vào tùy thuộc số biến ngõ Ngõ cổng hàm AND biến ngõ vào Bên phải bảng chân trị mô tả hoạt động cổng AND ngõ vào A B VÀO RA A B A AND B 0 0 1 0 1 Mỗi IC 74HC08 có cổng AND ▶ Ta chọn IC 74HC08 họ 74xx 34 CHƯƠNG MƠ PHỎNG MẠCH TRÊN PROTEUS 35 Hình 5.1 : Mạch ngun lí mơ proteus 2.1 KIỂM TRA CÁC DẠNG ĐIỆN ÁP TRONG MÔ PHỎNG 2.1.1 Các dạng điện áp - Ua điện áp đo trước vào opamp A1 : dạng hình sin - Ub điện áp sau qua opamp A1 : dạng xung vuông 36 - Uc điện áp sau qua khâu đồng pha : dạng xung nhọn 2.1.2 So sánh điện áp Uc Uđk - Khi Uđk=-3V có Uđk Uc cắt hình 37 - Khi Uđk = -7V có Uđk Uc cắt hình - Khi Uđk = -11V có Uđk Uc khơng cắt hình 38 - Khi Uđk = -7V xét góc hình - Khi Uđk = -3V xét góc hình Nhận xét : Ta thấy thay đổi Uđk góc mở thay đổi 39 2.2 VẼ MẠCH IN Ta vẽ mạch in với làm mạch thực tế khác khác vị trí linh kiện để kiểm tra độ xác tang kĩ làm mạch 2.2.1 Mạch in thứ  Mạch in có sơ đồ nối dây hình vẽ 40 - Mạch hồn chỉnh nhìn mô 3D 41 4.1.3 Mạch in thứ  Mạch in có sơ đồ nối dây 42  Mạch mô 3D 43 ... Các thông số để tính mạch điều khiển:  Điện áp điều khiển Thyristor:  Dòng điện điều khiển Thyristor:  Thời gian mở Thyristor:  Độ rộng xung điều khiển:  Tần số xung điều khiển:  Độ đối xứng... đại lượng điều khiển góc CHƯƠNG NGUN LÍ CHUNG VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG TỪNG KHÂU 2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển thyristor phân loại theo nhiều cách Song mạch điều khiển dựa... CẦU CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU PHA Mạch điều khiển khâu quan trọng biến đổi thyristor đóng vai trò chủ đạo quan trọng việc định chất lượng độ tin cậy biến đổi Yêu cầu mạch điều khiển tóm