Giáo trình Lắp mạch điện tử công suất (Nghề: Điện dân dụng) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

(NB) Giáo trình Lắp mạch điện tử công suất (Nghề: Điện dân dụng) cung cấp cho người học những kiến thức như: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất; Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu; Điều chỉnh điện áp xoay chiều. Mời các bạn cùng tham khảo!

BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

BÀI GIẢNG

MÔ ĐUN: LẮP MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019

LỜI GIỚI THIỆU

Điện tử công suất ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế theo phương thức công nghiệp hóa Vì vậy Bài giảng Lắp mạch điện tử công suất không thể thiếu được trong quá trình nghiên cứu học tập của mô đun

Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử công suất tuy nhiên lại không phù hợp với học sinh, sinh viên học nghề Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ dàng tiếp cận tôi viết bài giảng này Bài giảng “ Lắp mạch điện tử công suất” gồm 3 bài:

Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất

Bài 2: Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu

Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều

Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn Dù đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn

Lào Cai, ngày … tháng … năm……

Tham gia biên soạn

Chủ biên: Phạm Thị Huê

MỤC LỤC Trang

1 Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất

3 Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều

1 Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng SCR

2 Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng triac

59

59

60

Bài 1:

KIỂM TRA VÀ THAY THẾ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 Diode

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Diode

có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không Cấu tạo và ký hiệu của Diode nh­ trên hình 1.1

1.1 Cấu tạo

Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ

bản trong cấu tạo của một Diode Ở

nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do

trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán

sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi

các ion dương ở đây Do các điện tích

trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn

nhau nên vùng này trở nên nghèo điện

tích, hay là vùng có điện trở lớn Tuy

nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở

)

Hình: 1.1

a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ

để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng

n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt

độ 250C (hình 1.2)

Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn

Khi lớp tiếp giáp p - n

-được đặt dưới tác dụng của

điện áp bên ngoài, nếu điện

trường ngoài cùng chiều với

điện trường E thì vùng nghèo

điện tích sẽ mở rộng sang

vùng n- điện trở tương đương

của điôt càng lớn và dòng điện

không thể chạy qua Toàn bộ

điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng

nghèo điện tích Ta nói rằng

điôt bị phân cực ngược

jU

Hình: 1.2 Sự tạo thành điện thế rào cản trong tiếp giáp p-n

n-

-n

)

a

)b

Hình: 1.3 Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

1.2 Đặc tính vôn-ampe của diode:

Một số tính chất của diode trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của diode trên hình 1.4a Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0

Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua diode Dßng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iôt UAK hầu như ít thay đổi Như vậy đặc tính thuận của diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ

Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột,

tính chất cản trở dòng điện ngược của diode bị phá vỡ Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm Ta nói điôt đã bị đánh thủng

Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dïng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức:

u DU D.0r D.I D

Trong đó:

D D

I

U r





 là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng

Đặc tính vôn-ampe của các diode thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dòng điện cho phép chạy qua diode và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 Nghĩa

là, theo đặc tính lý tưởng, diode có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng 

D i

0 D U

D i

Hình 1.4 Đặc tính vôn-ampe của diode:

a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng

cảm

2 Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor)

2.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT

Tranzito là phần tử

bán dẫn có cấu trúc bán dẫn

gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p

(bóng thuận) hoặc n-p-n

(bóng ngược), tạo nên hai

tiếp giáp p-n Cấu trúc này

thường được gọi là Bipolar

Junction Tranzitor (BJT) vì

dòng điện chạy trong cấu

trúc này bao gồm cả hai loại

điện tích âm và dương

n

Trong chế độ tuyến tÝnh hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện IC = .IB

Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một phần tử khoá Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:

Trong đó: kbh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hoà Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, UCE.bh

Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito

Tổn hao công suất trên tranzito bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá

Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp E và

B-C đều bị phân cực ngược Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n- Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu

tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB Tranzito

ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện có thể chạy qua Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên tranzito không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định Đó là chế độ mở bão hoà

2.2 Đặc tính đóng cắt của transistor

n

U +

iC

) t (

iB

) a

) t (

uB1 B U

2 B

U ) t (

uBE

2 B U

V 7 , 0

) t (

iB iB1( t )

) t (

iB2

) t (

uCE

n

U +

bh C I

) t (

iC

) b

Hình 1.6 Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp

Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC Ta phân tích quá trình đóng cắt của một tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và ngược lại Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.12b

a Quá trình mở

Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E Quá trình mở BJT bắt đầu

từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1 Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1 Khi UBE còn nhỏ hơn không , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện

áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3) Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT

Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ Quá trình tăng dòng

IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi:

B

* 1 B 1 B

R

U - U

I 

Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:

B BC C BE C 1

iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB

Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC(∞) = β.IB1 Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác dụng nữa Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận V× khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn

Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức:

UCE.bh = Un – IC.bh.Rt

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu tạo của BJT

Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà

b Quá trình khoá BJT

Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá

Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được Dòng

IB ngay lập tức sẽ có giá trị:

B

* 2

Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –Un Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB

trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khoá lại hoàn toàn

Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2 Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9)

3 Thysistor SCR, Diac, Triac

3.1 Thiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba

tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1.10

1 J

2 J 3 J 1

Q

2 Q +

n

Hình 1.10 Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Đặc tính vôn-ampe của tiristo:

Đặc tính vôn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11) Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0

1 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua tiristo chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò Tiristo đã bị hỏng Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max,

sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi

đó dòng qua tiristo lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó tiristo sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị

lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện

max ngU

th v

U Uth.max

V i

dt i

1 G I 2 G I 3 G I

Hình 1.11 Đặc tính vôn-ampe của tiristo

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

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max Được mô tả trên hình 1.6 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn

Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0

4 Diac

4.1 Khái niệm, công dụng:

- Khái niệm: là một diode bán dẫn có quá trình chuyển sang dẫn dòng ngay khi điện áp rơi đạt mức đánh thủng VBO Thuật ngữ DIAC là viết tắt

của Diode for alternating current ( diode cho dòng điện xoay chiều)

- Công dụng: Diac được sử dụng như diode zener trong các mạch điện xoay chiều, thường dùng để kích cực Gate cho Triac tại điện áp xác định

4.2 Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý làm việc:

- Cấu tạo

Hình 3.24 Sơ đồ cấu tạo diac

Diac cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp với nhau như một Transistor lưỡng cực nhưng chỉ ra có hai chân nên được xem như một Transistor lưỡng cực không có cực nền Hai cực hai đầu được gọi là T1 và T2 và do tính chất đối xứng của Diac nên không cần phân biệt T1 và T2

Thực tế khi sử dụng Diac, ta nhớ quan tâm 2 thông số: Dòng tải và áp giới hạn Thực tế áp giới hạn của Diac khoảng 20V-40V( cụ thể ta tra cứu sổ tay linh kiện để biết chính xác)

Hình 3.26 Phân cực cho Diac

Xét mạch trên nguồn VCC có thể chỉnh được từ thấp lên cao khi VCC có trị

số thấp thì dòng điện qua Diac chỉ là dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ Khi tăng điện thế VCC lên một giá trị đủ lớn thì điện thế trên Diac bị giảm xuống và dòng điện tăng lên nhanh Điện thế này đươc gọi là điện thế ngập (Breakover) và dòng điện qua Diac là dòng điện ngưỡng

Điện thế của Diac có giá trị trong khoảng 20V đến 40V Dòng điện có giá trị từ vài chục đến vài trăm mA

4.3 Các tham số đặc trưng

Điện áp đánh thủng VBO: 20~200 V Điện áp đánh thủng động ΔV= VBO-Vfoward: ±5~10 V (Vfoward: điện

áp khi diac dẫn, đo ở 10mA)

Điện trở trong trạng thái kháng cao: vài MΩ Điện trở trong trạng thái kháng thấp: vài Ω Dòng đỉnh và công suất tiêu hao tối đa Với các ứng dụng cần tốc độ cao cần xét tới thời gian tăng dòng dẫn (khoảng vài trăm ns cho đến vài us)

4.4 Cách đo và kiểm tra DIAC:

Ta dùng thang đo Rx10 đo vào hai đầu MT1và MT2 nếu:

- Khoảng lớn hơn vài trăm ôm là tốt

- Zero Ôm - bị nối tắt

- Không lên Ôm - bị đứt

5 Triac

Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu

trúc p-n-p-n thể hiện trên hình 1.8a Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b,

có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2 Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.13c

) c

2

T

1

T G

) b

2

T

1

T G

p

p n

n

) a

Hình 1.13 Triac:

a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;

c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược

Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ

I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được

Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ

2

T

1

T G R

) b

I

2 G

I

3 G

I u

max th

u

th v

u 0

) a

Hình 1.14 a) Đặc tính vôn-ampe;

b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm

6 IGBT

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của tranzito thường Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ Hình 1.15 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một IGBT

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ (tương tự cực gốc) với colectơ (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET (hình 1.29b) Có thể coi IGBT tương đương với một tranzito p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.15b và c)

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giồn như cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n—p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở tranzito thường, tạo nên dòng colectơ

Giả sử ở nửa chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều dương ở a và âm ở b sẽ

có dòng điện nạp cho tụ C1 (theo mạch đi từ a → M→ D→ R1→ VR → c → b) Sau thời gian nạp  = c1(R1 + Vr) thì tụ được nạp đầy, lúc này xuất hiện xung điện áp đặt vào cực G của thyristor đủ để hình thành dòng điều khiển kích cho thyristor mở Khi có dòng điện IG thì SCR mở cho dòng chính AK cấp cho động

cơ làm việc (theo mạch đi từ a →M→ ASCR → KSCR → b) Từ biểu thức  = c1(R1 + Vr) cho thấy khi thay đổi vị trí của VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của

tụ tức là thay đổi thời điểm có xung kích cho SCR mở dẫn đến thay đổi điện áp cấp cho động cơ M như thế sẽ thay đổi được tốc độ cấp cho động cơ

L D

Mạch điện 2

Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng Triac

Mạch điện 1

a Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả

b Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1 Nhận xét giải thích

c Đổi cực của nguồn V

i, lập lại câu a và b, giải thích kết quả

Diac 1

VR1 250k

C2 224

Diac 2

D2

SCR2 2P4M

C1 224

D1

75W/220V

R2 100

R1 1k

R3 100

+ Quạt quay nhanh hay chậm tuỳ theo người sử dụng vặn triết áp R1 để làm thay đổi thời gian nạp cho tụ C lúc đó sẽ thay đổi được góc kích mở của Triac

Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D

1, R

1 Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn

Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu -

VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)

Bài 2: BỘ CHỈNH LƯU – NGHỊCH LƯU

1 Bộ chỉnh lưu

1.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển

1.1.1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ

Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3) Ở nửa chu kỳ đầu (0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điôt D dẫn Vì với UD = 0 nên có ud  u2 Ở nửa chu kỳ sau (  2) điện áp u2 đảo dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ)nên điôt D khoá, vì thế ud = 0

di

) a

 Sin U

u d  2 2.

 Sin R

U

i 2. 2  :

Trong khoảng   2,:

i=0, ud=0 giá trị điện áp lớn nhất Umax  2 U2

2 2

0

2 2

1

U

U d

Sin U

2

dt t



u2 + eL = R.i (0.2)

 Khi cho biết  có thể xác định gần đúng 

Từ hình vẽ ta thấy 0 <  < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ

tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm L tích luỹ năng lượng

Trong khoảng 1 <  < 2 dòng i suy giảm, sđđ tự cảm eL tác động cùng chiều với u2 , cuộn cảm L hoàn năng lượng Vì vậy Diode D tiếp tục mở cho dòng chảy qua trong khoảng  <  < 2 khi mà u2 < 0

Tại điểm 1 L di 0

dt  dòng i có giá trị cực đại : ia = Im Năng lượng tích luỹ bằng năng lượng hoàn lại lưới : 2

m

L I 2

Trong thực tế với mạch tải R + L người ta thường dùng một Diode hoàn năng lượng đấu song song ngược với tải, để bảo vệ Diode và duy trì dòng tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn

Khi điện thế tại B lớn hơn điểm C 0,7V, Diode Dr mở cho dòng id qua, id

= i Diode Dr làm ngắn mạch tải ud = 0

Diode chỉ cho dòng qua trong khoảng 0 <  < , trong khoảng  <  < 2 dòng tải id do cuộn dây cung cấp, nếu eL đủ lớn thì có thể duy trì dòng id trong toàn kỳ

 Khi có DR điện áp chỉnh lưu Ud mất đoạn mang giá trị âm

 Trong một chu kỳ cuộn L tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì nó hoàn bấy nhiêu năng lượng

u2 = E + uD ;(Rid = 0) vì vậy điện áp ngược đặt lên Diode là uD = u2 - E

Và điện áp ngược trên Diode : UDmax = 2U2E

 Giá trị trung bình của dòng chảy qua Diode và qua tải :

sin

d d

T U I

2

.2

Bài tập ví du 1: Cho sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ như hình vẽ1 dòng điện tải,

id,cũng là dòng chảy trong Diode, iD,có dạng trình bày như hình 1b Khi Diode dẫn dòng, điện áp rơi trong bản thân nó được mô tả bằng biểu thức:

Hình 1.5 Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, E

R D

uD =0,85 + 0,9.10-3 iD Hãy tính trị trung bình của công suất tổn thất, PD , trong Diode khi trị trung bình của dòng tải là Id =200A

Bài tập ví dụ 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode 1 pha, nữa chu kỳ, trình bày trên hình

(2a) Trị hiệu dụng của điện áp nguồn bằng 240V, tần số f =50Hz Mạch tải gồm điện cảm L =0,1H nối tiếp với điện trở R=10

a Xác định dạng sóng dòng điện tải id

b Tính trị trung bình của điện áp tải Ud và của dòng điện tải Id

1.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai pha)

du





)bBiến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha nhau 1800 ở thứ cấp '

D2 nối với điện áp u2 Vì vậy trong khoảng từ (0), điôt D1 dẫn do u2 > u2; còn trong khoảng (  2) thì D2 dẫn do ''

2

u > ' 2

u Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ

có dạng ở hình 2.4b với: ud = '

2

u ở 0

ud = '' 2

u ở   2

Điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải là:

- Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p chØnh l­u:

1

U d

Sin U d

2 2

U r r

2 2

d Sin r

U Id

Để xét điện áp ngược trên van, ta giả sử D1 dẫn, D2 khoá (giai đoạn 0 ) Lúc này ta thấy D2 được đấu song song với hai cuộn thứ cấp nối tiếp nhau, vì vậy:

nên điện áp ngược cực đại trên điôt D2 là

Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài

kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thâpt vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một vàn Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha Hơn nữa một số thông số khác cũng không tốt







 Nhận xét : Tại bất kỳ thời điểm nào luôn luôn có điện thế tại điểm a

hoặc b lớn hơn điện thế của điểm c vì vậy không thể sử dụng Diode hoàn năng lượng vì nó không bao giờ được phân cực thuận và dẫn

Nếu cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (L = ) thì dòng tải coi như được nắn thẳng hoàn toàn và dòng qua các Diode có dạng xung chữ nhật với biên độ bằng dòng Id Điều này dẫn đến sai số trong tính toán khoảng 15 – 20% so với thực tế nhưng các kết quả tính toán là hoàn toàn có thể chấp nhận được

 Điện áp chỉnh lưu vẫn có dạng giống như tải thuần trở, do đó giá trị trung bình bằng :

2 2

0

2

2 2 1

2

m d

U U

1

0

1 2

2

d MBA

P S

Mạch chỉnh lưu gồm 4 van D1 D4 đấu thành hai nhóm (hình 2.5a): D1D3 đấu catôt chung, D2D4 đấu anôt chung Nguồn xoay chiều dưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới hoặc thông qua biến áp

Trong nửa chu kỳ đầu: 0, điện áp u2 > 0 với cực tính trong ngoặc trên

sơ đồ Ta thấy với nhóm catôt chung D1D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vì vậy D1 sẽ dẫn Còn ở nhóm anôt chung D2D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vì vậy D2 dẫn

Như vậy nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn Trong nửa chu kỳ sau điện áp u2 < 0 với cực tính đảo lại (trong dấu ngoặc), lý luận tương tự ta thấy điôt D3D4 dẫn

Đối với điện áp ra tải, ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kỳ đều được nối với cực tính dương (+) của nguồn u2, và điểm b luôn được nối với cực tính

âm (-) của u2 Vì vậy điện áp ra tải ud giống của chỉnh lưu hình tia hai pha, do đó

ta cũng có:

dÉn D ,

D1 2 D3, D4dÉn

¸ kho D ,

0

2

2 2 1

2

m d

U U

Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện và áp như nhau vì vậy ta có :

 Giá trị trung bình của dòng tải :

Vì dòng sơ cấp và thứ cấp đều có dạng sin nên : S1 = S2

Tải R + E

Trong trường hợp này các công thức tính dòng Id, ID tương tự như trong mạch chỉnh lưu tia 2 pha nhưng giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp và điện áp ngược trên diode được tính theo công thức sau :

ƯD: Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, nhất

là với điện áp trên 10V, dòng tải có thể đến một trăm ampe Ưu điểm của mạch

là có thể không cần biến áp Nhược điểm của nó là có hai điôt tham gia dẫn dòng: điôt nhóm lẻ dẫn dòng ra tải, nhóm điôt chẵn dẫn dòng từ tải về nguồn Như vậy sẽ có sụt áp do hai điôt gây ra, chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn

Bài tập ví dụ 3:

Cho mạch chỉnh lưu cầu có tải R + E biết u2  2.220sin t, f = 50Hz,

E = 110V, R = 2

a Tính thời gian mở cho dòng chảy qua của mỗi Diode trong mỗi nửa chu kỳ:1

b Tính giá trị trung bình của dòng điện tải id.

c Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện tải

d Chọn Diode (Umax, ID) cho hệ các số Ku = 1,6, K I = 1,2

Hình Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải R+ E

Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 220V, tần số 50Hz.

a Tính t1- thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho ắcquy trong từng nửa chu kỳ

 - thời gian dẫn dòng của mỗi Diode trong 1 chu kỳ

b R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu

c Tính trị hiệu dụng của dòng tải

d Tính hiệu suất của thiết bị

1.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển

Khái niệm về góc điều khiển :

Mạch chỉnh lưu dùng van là điôt tuy đơn giản nhưng chỉ cấp ra tải một điện áp xác định Ud = ksđU2, chỉ phụ thuộc vào mạch van và điện áp nguồn U2, không cho phép thay đổi hoặc giữ ổn định theo yêu cầu công nghệ của tải Điều này do điôt luôn tự dẫn dưới tác động của chính điện áp nguồn xoay chiều gọi là

mở tự nhiên Nếu thay điôt bằng tiristo sẽ điều khiển được điểm dẫn của van theo ý muốn, vì để mở cần có đồng thời hai điều kiện: Thứ nhất, điện áp trên van phải dương, UAK > 0; thứ hai, có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó Như vậy sử dụng điều kiện thứ hai ta khống chế được điểm

mở tiristor theo ý muốn Để thực hiện trong mạch điều kiện này người ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (còn gọi là góc mở) được ký hiệu bằng  Quy ước về góc này như sau:

Góc điều khiển  là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là điôt thì nó bắt đầu dẫn

Việc tính toán góc  để mở van trong mạch chỉnh lưu tiristor theo yêu cầu công nghệ do khối điều khiển đảm nhiệm và được đề cập chi tiết ở chương 5

Tại chương này chỉ xem xét ảnh hưởng của góc điều khiển  đến tham số Ud của chỉnh lưu

1.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ

a, Tải thuần trở R

Để so sánh chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu điều khiển, trên sơ đồ hình 2.8 dựng các đồ thị ud ở hai trường hợp này Hình 2.8b là điện áp chỉnh lưu nhận được khi dùng điôt Hình 2.8c là chỉnh lưu có điều khiển Trong sơ đồ này

ở giai đoạn (0  ) mặc dù điện áp trên tiristo T đã dương, song phải đến thời điểm  thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung (FX)

Do đó:

Trong giai đoạn (0  ) tiristo khoá: ud = 0

Trong giai đoạn (   ) tiristo khoá: ud = u2()

Trong giai đoạn (  0) tiristo khoá: ud = 0

2

) cos 1 ( U

2 d sin U 2 2

1 d ) ( U 2

1

2

0 2 d

) ( U 2

) cos 1 ( U

Ud  0    0  (2.15)

Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào góc điều khiển  Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào tham số duy nhất là  Ở mạch chỉnh lưu này, bằng cách thay đổi  từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0)

Các tham số của chỉnh lưu dùng tiristo đều lấy từ chỉnh lưu dùng điôt (bảng 2.1), với lý do đơn giản là khi  = 0 (tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển) thì điện áp chỉnh lưu lớn nhất và mạch cũng mang tải nặng nhất

1.2.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ

Hình 2.11b là đồ thị minh hoạ chỉnh lưu điều khiển này Lưu ý rằng trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển  của các tiristo phải bằng nhau: 1 = 2 =

 Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng mật độ đối xứng Mạch điều khiển

có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xứng không vượt quá 10 đến 20 điện

I

2 G

0 d

2

1 U

2

cos 1 U 2

cos 1 U 2 2

0 2

với Ud0 = 0,9U2

Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp Ud, và ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn dải điều chỉnh  Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn

2.3 Sơ đồ cầu một pha

2 Bộ chỉnh lưu ba pha

2.1 Chỉnh lưu ba pha không điều khiển

2.1.1 Chỉnh lưu hình tia ba pha