Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoahọc kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thìcác thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các nghành kinh tế quốc dân và đờisống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạpcủa công nghiệp thì nghành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu tìmra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiệnđại hóa của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nângcao để đưa công nghiệp công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất.Do đó đòi hỏi phải có thiêt bị và phương pháp điều khiển an toàn, chínhxác Đó là nhiệm vụ của nghành điện tử công suất cần giải phải quyết.

Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần có đội ngũ thiếtkế đông đảo va tài năng Là sinh viên Trường CĐCĐ Hải Phòng em luôntự hào về ngôi trường của mình Sinh viên nghành Điện – Điện tử tươnglai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó cần phải tự trang bị chomình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy đồ án mônhọc điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH.Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũnglà điều kiện để cho sinh viên nghành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiếnthức về điện tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba còn đangngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều, do đócần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo Qua đây cho chúng em

được gửi lời cảm ơn tới thầy Vũ Minh Việt đã tận tình chỉ dẫn giúp

chúng em hoàn thành tốt đồ án này môn học này.

Đồ án này hoàn thành không những giúp chúng em có được nhiềukiến thức hơn về môn học mà còn giúp chúng em được tiếp xúc với mộtphương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là sựquan trọng của phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình thực hiện đồán là một thời gian thưc sự bổ ích cho bản thân chúng em về nhiều mặt.

Hải Phòng: ngày 13 tháng 11 năm 2008

Sinh Viên

Nguyễn Xuân Vĩnh

Nguyễn Minh Châu

Hải Phòng: ngày tháng 11 năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

Vũ Minh Việt

MỤC LỤC

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 2 Nguyễn Minh Châu

Phần I: Giới thiệu đề tài

1 Mục tiêu đề tài 2 Khả năng hệ thống 3 Một số quy ước.

4 Phương pháp giải quyết.

Phần II: Nội dung.

1 Các linh kiện làm mạch.2 Nguyên lý các linh kiện.

2.1, TL084.2.2, 74HC08.2.3, Thysistor.

3 Sơ đồ cấu trúc mạch 4 Sơ đồ nguyên lý mạch.

4.1, Sơ đồ nguyên lý các khối trong mạch 4.1.1, Mạch tạo xung vuông.

4.1.2, Mạch tạo xung răng cưa.

4.1.3, Mạch có độ rộng xung thay đổi 4.1.4, Mạch tạo xung chùm.

4 Phương pháp giải quyết mạch.

- Mạch chia làm 5 khối nên khi đo mạch ta sẽ đo từng khối xem cóchính xác hay không.

PHẦN II: NỘI DUNG

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 4 Nguyễn Minh Châu

1 Các linh kiện làm mạch.

- TL084.- 74HC08.

- 2 Thysistor KY202.- 2 biến trở 100K.- 1 biến trở 50K.- 2 biến áp xung.- 9 diode.

- 2 Transistor C828.

- 1 Transistor công suất C2335.- 3 tụ không phân cực 104.- 1 tụ phân cực 10µF/50V.

- và các điện trở: 2,2K, 3,3K, 33K, 100K,10K,330Ω - 2 biến áp xung.

2 Nguyên lý các linh kiện.

2.1, Cấu tạo và nguyên lý TL084.

Và chân 4 được nối với +5V, chân 11 được nối với -5V.

2.1.2 Nguyên lý hoạt động.

- 4 cổng trong TL084 là 4 cổng khuếch đại thuật toán.- Đây là sơ đồ nguyên lý của 1 cổng trong IC TL084:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý 1 cổng trong TL084.

- Để các cổng cho IC hoạt động ta bắt buộc phải cấp nguồn cho IC, chân4 nối với +5V, chân 11 nối với -5V.

- Các thông số:

+ Giải điện áp nguồn nuôi từ ±3V đến ±18V.+ Tốc độ tăng điện áp là 13V/Ms.

2.2, Cấu tạo và nguyên lý IC 74HC08.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 6 Nguyễn Minh Châu

Chân 14 là chân +5V, chân 7 la chân GND 2.2.3, Nguyên lý:

Hình 4 : Sơ đồ nguyên lý IC TL084.

+ Nguyên lý của nó như sau: AND 2 trạng thái đầu vào cho ra bằng 1đầu ra Như hình 4 chân 1(1A) và chân 2(1B) là chân cho trạng thái đầuvào AND 2 trạng thái này cho ra chân 3(1Y) Các cổng khác cũng tươngtự như vậy

+ Đây là bảng trạng thái:

Bảng 1 : Bảng trạng thái 74HC08.

2.3.1, Đặc tính von-ampe của Thysistor.

Đặc tính von-ampe của Thysistor gồm có 2 phần Phần thứ nhấtnằm trong các góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trườnghợp điện áp UAK>0, phần thứ hai nằm trong góc phần thứ III, gọi là đặctính ngược, tương ứng với trường hợp UAK<0.

Hình 7: Đặc tính làm việc của Thysistor.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 8 Nguyễn Minh Châu

- Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG=0).

+ Khi dòng vào cực tiểu điều khiển của Thysistor bằng 0 hay hởmạch cực điều khiển Thysistor sẽ cản trở dòng điện tương ứng với cả 2trường hợp là phân cực thuận và phân cực ngược Khi điện áp UAK<0 theocấu tạo bán dẫn của Thysistor 2 lớp J1,J2 đều phân cực ngược, lớp J2phân cực thuận, như vậy Thysistor sẽ giống như 2 Diode mắc nối tiếp vàbị phân cực ngược Qua Thysistor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạyqua, gọi là dòng dò Khi UAK bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rấtlớn.

+ Giống như mở đoạn đặc tính ngược cua Diode quá trình bị đánhthủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điệnáp UAK xuống dưới mức Ung thì dòng điện cũng không thể giảm về mứcdòng dò Do Thysistor đã bị hỏng.

+ Khi tăng điện áp anot-katot theo chiều thuận, UAK>0 lúc đầu chỉcó một dòng điện rất nhỏ chạy qua gọi là dòng dò Điện trở tương đươngmạch rất lớn Khi tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Chođén khi UAK tăng đến giá trị điện áp thuận lớn nhất Ung sẽ xẩy ra hiệntượng trở tương đương mạch anot-catot đột ngột giảm, dòng điện chạyqua Thysistor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải mạch ngoài Nếukhi có dòng qua Thysistor có giá trị lớn hơn mức dòng tối thiểu gọi làdòng duy trì Idt thì khi đó Thysistor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tínhthuận, giông như đường đặc tính thuận của Diode Đoạn đặc tính chấtdòng có thể có giá trị lớn hơn nhưng điện áp rơi trên anot-catot thì nhỏ vàhầu như không phụ thuộc vào giá trị dòng điện.

- Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG>0).

Nếu có dòng điều khiển đua vào giữa cực điều khiển và catot thì quá trìnhchuyển điểm làm việc trên đường đặc tính sẽ xảy ra sớm hơn, trước khiđiện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth,mã

2.3.2, Mở và khóa Thysistor.

Thysistor có đặc tính giống Diode, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạyqua theo một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiềungược lại Tuy nhiên khác với Diode, để Thysistor có thể dẫn dòng ngoài

điều khiển phải có điện áp UAK>0 còn cần thêm một số điều kiện khác.Do đó Thysistor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệtvới Diode là phần tử không điều khiển được.

+ Phương pháp thứ 2 là đưa một xung dòng điện có giá trị nhấtđịnh vào giữa cực điều khiển sẽ chuyển trạng thái cua Thysistor từ trởkháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot-catot nhỏ Khi đó nếudòng anot-catot nhỏ Khi đó nếu dòng qua anot-catot lớn hơn 1 giá trịnhất định gọi là dòng duy trì thì Thysistor sẽ tiếp tục ở trạng thái mở bándẫn mà không cần đến sự tồn tại của mạch điều khiển nữa Điều nàynghĩa là có thể điều khiển mở các Thysistor bằng xung dòng có độ rộngxung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, sovới công suất của mạch lực mà Thysistor là 1 phần tử đóng ngắt, khốngchế dòng điện.

- Khóa Thysistor:

Một Thysistor đang dãn dòng sẽ trở về trạng thái khóa nếu dòngđiện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Tuy nhiên để Thysistorvẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anot-catot lại dương(UAK>0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồihoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình Khi Thysistor dãn dòngtheo chiều thuận 2 lớp tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua2 lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược Vì vậymà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1,J2,J3 Để khóaThysistor lại cần giảm dòng anot-catot về dưới mức duy trì và đặt mộtđiện áp ngược lên anot-catot trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi làthời gian phục hồi Trong thời gian phục hồi có một

Dòng điện ngược chạy giữa anot-catot Dòng điện ngược này di tản cácđiện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp cho tj điện tương đương của 2 tiếpgiáp J1,J3, lúc này đang bị phân cực ngược Kết quả là khả năng cản trởdòng điện J1,J3 được phục hồi.

2.3.4, Các thông số cơ bản của Thysistor.

a, Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor,IV,trb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor với điềukiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thysistor không vượt quá1 giá trị cho phép chạy qua Thysistor còn phụ thuộc vào các điều kiệnlàm mát và nhiệt độ môi trường Thysistor có thể được gắn lên các bộ tảnnhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra, Thysistor có thể được làmmát nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt nhanh hơn.

b, Điện áp ngược cho phép lớn nhất,Ung,mã.

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thysistor.Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện ápgiữa anot-catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,mã Nguồn ra, phải đảmbảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ung,mã phải được cho ítnhất là bằng 1,2-1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp.

c, Thời gian phục hồi tính chất khóa cầu Thysistor, Tr.

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa ant-catot củaThysistor sau khi dòng anot-catot đã bằng không trước khi lại có thể cóđiện áp UAK dương mà Thysistor vẫn khóa, Tr là một thông số rất quantrọng cua Thysistor nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặcnghịch lưu độc lập, trong đóluuôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quátrình khóa phải bằng 1,5-2 lần Tr.

Không gian này có thể coi như một dòng điện có tụ điện có điện dung Ci2.

Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trịđáng kể, đóng vai trò như một dòng điều khiển Kết quả là Thysistor cóthể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực G của Thysistor.

d, Tốc độ tăng dòng điện cho phép, di/dt.

Khi Thysistor bắt đầu mở không thể không phải mọi điểm trên tiếtdiện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạyqua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực G nhất, sau đó sẽ lan sang cácđiểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ dòng quá lớn có thể dẫn đếnmật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát hiện nhiệt cụcbộ tiết diện tinh thể bán dẫn Trong các bộ biến đổi phải luôn luôn có biệnpháp đảm bảo tốc độ tăng dòng ở dưới giá trị cho phép Điều này đạtđược nhờ mắc nối tiếp với các phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõikhông khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyếnđược dùng phổ biến vì nó có cấu tạo đơn giản, dễ dàng thay đổi Xuyếnferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng trung bình quathanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Vì vậy

cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạyqua dây dẫn.

+ Xung điều khiển được truyền qua biến áp xung cách ly giữamạch điều khiển và mạch động lực.

4 Sơ đồ ngyên lý mạch:

Hình

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 12 Nguyễn Minh Châu

4.1, Sơ đồ nguyên lý các khối trong mạch:

4.1.1, Mạch tạo xung vuông:

Khi tín hiệu điện áp được đưa vào(tín hiệu Sin) qua điện trở làmhạn dòng và Diode D1 và D2 mắc song song ngược có tác dụng bảo vệtín hiệu đầu vào của thuật toán và tín hiệu vào hình sin được chỉnh lấyphần điện áp mở của Diode, điện áp này luôn duy trì cỡ khoảng 0,7V Khiđố tín hiệu đo được có dạng hình vuông nhưng chưa được chuẩn.

Khi điện áp làm cho Diode mở sẽ làm cho áp đi về GND do vậy nóchỉ lấy điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 0,7V Do vậy tín hiệu vào luôn đượcổn định Tín hiệu được đưa vào bộ thuật toán để tạo ra xung vuông.

* Giản đồ xung:

4.1.2, Mạch tạo xung răng cưa.

Mạch này khi Thysistor mở, tụ C phóng điện qua khóa Thysistor,UC=0 Khi đó Thysistor lại được khóa, tụ C nạp từ điện +Un qua R2, điệnáp trên tụ thay đổi theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian τ = RCUc= Un(1-e-1/(RC))= Un1-et/ τ

Để lấy đoạn tuyến tính của điện áp ta có thể chọn T= 31τ = (13).(RC) Khi đó Ucm= (1/3).Un

Vậy ta có thể thấy khi tín hiệu xung vuông được đưa vào qua R2 thì tín hiệu vào này sẽ điều khiển cho Thysistor Theo đó Thysistor cũng được đóng mở theo tín hiệu vào, nhưng do ta lắp thêm tụ ở hai cực của

Thysistor nên trong thời gian Thysistor mở thì tụ C được nạp Khi

Thysistor đóng do đặc tính của tụ C nên lúc này C lại phóng điện trở lại, dẫn đến tín hiệu ra sẽ không con là xung vuông ban đầu nữa Tín hiệu nàycó dạng tựa răng cưa, so sánh với điện áp điều khiển một chiều.

* Giản đồ xung :

4.1.3, Mạch có độ rộng xung thay đổi :

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 14 Nguyễn Minh Châu

Khi tín hiệu được đưa từ khâu xung tựa răng cưa qua khuếch đạithuật toán điều chỉnh biến trở sao cho độ dãn của xung thay đổi được.* Giản đồ xung:

4.1.4, Mạch tạo xung chùm

Ở mạch này tạo ra xung chùm có tần số cao (khoảng 10Khz) xungnày được đưa vào một phần của cổng AND phần còn lại được đưa vào từđầu kia của khâu tạo xung răng cưa Để tạo xung chùm điều khiển mở cácThysistor.

* Giản đồ xung:

4.1.5, Bộ cộng xung.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 16 Nguyễn Minh Châu

Mạch cộng xung là mạch được tạo bởi từ xung có độ rộng thay đổivà xung chùm, qua IC 74HC08 và đầu ra cổng đầu tiên chân số 3 cho ratín hiệu cộng xung.

* Giản đồ xung:

4.1.6, Mạch khuếch đại xung điều khiển.

Mạch điều khiển thường làm việc trong điều kiện nhiễu mạch dobản thân mạch động lực gây ra Các nhiễu này có thể truyền theo đươngdây nguồn tới đầu vào của mạch điều khiển và lan tận đến khâu khuếchđại xung Do vậy nếu khuyếch đại xung có hệ số khuếch đại lớn đặc biệtnếu dùng mạch điều khiển có phản hồi dương dễ gây hiện tượng khuếchtán giả lam Thysistor mở không đúng thời điểm.

4.1.7, Mạch cách ly.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 18 Nguyễn Minh Châu

Đây là mạch cach ly giữa mạch điều khiển và động lực, hai conDiode mắc song song có tác dụng chống ngược

5 Thi công.

5.1, Vẽ mạch nguyên lý:

Đầu tiên khi làm mạch ta phải vẽ sơ đồ nguyên lý Có rất nhiều phầnmềm hỗ trợ để vẽ mạch như Autocad, Orcad, Proteus, Protel Đây là cácphần mềm vẽ chuyên dụng, ở đây sơ đồ nguyên lý được vẽ bằng Protel.Khi vẽ mạch ta cần chú ý đến các đương tín hiệu như nguồn và GND tavẽ to hơn các tín hiệu trong mạch

5.3, Thi công board mạch.

Sau khi chúng ta đã vẽ xong mạch trên máy tính thi việc làm board mạchcó thể thực hiện theo các phương án sau:

Phương án 1: Tự làm bằng tay Nghĩa là căn cứ vào các đường mạch

in mà ta đã vẽ trên máy tính, chúng ta đem in trên giấy bằng máy in LazerHP có độ mực đậm sau đó đặt lên phíp đồng dùng bàn là, là lên sao chomực trên giấy in bám chặc vào phíp đồng, sau đó rửa sạch vết giấy vàngâm vào dung dịch FeCl3 Cách này có độ chính xác không cao, chidùng cho các mạch có ít đường tín hiệu, ít lỗ via Do đó ít được dùng đểthiết kế mạch, nhung vì vấn đề kinh tế nên em đã chọn phương án này.

Phương án 2 : Làm mạch bằng phương pháp in lụa Nghĩa là sau khi

vẽ mạch trên máy tính xong, chúng ta đem in lụa lên mạch in, sau đódùng bút long đồ lại Cách này có dộ chính xác cao hơn,dồng thời nếuchúng ta thi công các board mạch có kích thước lớn và số lượng nhiều thì