III. Nguyên tắc và cấu trúc mạch điều khiển: 1 Nguyên lý thiết kế mach điều khiển:
2. Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor:
Trong đó: ĐF: khâu đồng pha. SS: khâu so sánh.
TX: khâu tạo xung.
Nhiệm vụ của các khâu như sau:
- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo điện áp tựa us, qua khâu tích phân là răng cưa, tuyến tính: urc), trùng pha với điện áp anôt của Thyristor.
- Khâu so sánh: có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp này băng nhau (uđk=urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại.
- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở các Thyristor. Xung để mở Thyristor có yêu cầu:
Ø Sườn trước dốc 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).
Ø Đủ công suất.
Ø Đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Thyristor.
Ø Cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp mạch động lực quá lớn).
2.1. Khâu đồng pha:
Với nhiệm vụ của khâu đồng pha đã phân tích ở trên, ta có thể thiết kế khâu đồng pha như sau:
Dùng nguồn đối xứng cho qua OA1. Trong nữa chu kỳ đầu UA>0 trùng pha với điện áp dương anode của Thy qua khyếch đại thuật toán OA1 cho ta một chuỗi xung chùm hình chữ nhật trùng pha với điện áp nguồn, điện áp dương chữ nhật UB qua diod D1 tới OA2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc âm do Tr phân cực ngược bị khoá.
Nữa chu kỳ sau UA<0 qua khuyếch đại thuật toán OA1 , UB âm, D1 khoá lúc này Tr làm ngắn mạch OA2 và tụ C, tụ C xả năng lượng qua Tr nên Urc = 0 (trong vùng điện áp UB âm).
Vậy nên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn
* Ưu điểm: Dùng khuếch đại thuật toán, cho ta chất lượng điện áp tựa như mong muốn, có sườn răng cưa dốc, độ chính xác cao. Hiện nay các mạch sử dụng khuếch đại thuật toán được sử dụng khá phổ biến.
2.3. Khâu so sánh:
+ Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán:
- Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ µV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh là hợp lý. Có hai sơ đồ khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán hay sử dụng:
v Sơ đồ thứ nhất:
- Với sơ đồ này sử dụng để so sánh hai điện áp trái dấu. Tuỳ theo hiệu
dk rc U
U − mà điện áp ra bằng dương hay âm điện áp nguồn:
0 ≥ − dk rc U U thì Ura= - UN 0 < − dk rc U U thì Ura= +UN v Sơ đồ thứ hai:
- Sơ đồ này dùng để so sánh hai điện áp cùng dấu. Cũng tùy thuộc vào hiệu số Urc-Uđk mà có giá trị điện áp ra khác nhau:
Urc-Uđk ≥0 thì Ura=+ UN Urc-Uđk <0 thì Ura=- UN
* Ưu điểm: Vì có hệ số khuyếch đại lớn nên điện áp ra nhảy cấp thẳng đứng, độ chính xác cao, ổn định nên có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc .Các sơ đồ so sánh dùng khuếch đại thuật toán rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay.
2.4. Khâu khuếch đại tạo xung:
Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor như đã nêu, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Transitor công suất, sơ đồ Darlington hay sơ đồ có tụ nối tầng.
v Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
- Tín hiệu vào được lấy từ đầu ra của khâu so sánh khi Uv=1 (ứng với thế cao) thì Transitor mở thông bão hòa, cho dòng ic chạy qua. Trong vùng biến thiên của dòng điện ic ở cuộn sơ cấp biến áp xung, thì trong cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Sức điện động cảm ứng đó được lấy ra làm xung điều khiển cho Thyristor. Tác dụng của các linh kiện trên sơ đồ:
+ BAX để tạo xung điều khiển dạng kim gửi tới Thyristor. + Transitor để có khuếch đại công suất.
+ R1 để hạn chế dòng điện bazơ của Transitor. + R2 hạn chế dòng điện Emitơ.
+ D1 bảo vệ Transitor và cuộn sơ cấp của biến áp xung. + D2 chặn xung điều khiển âm.
- Khi Transitor mở thông, dòng điện ic tăng theo hàm mũ: ic= (1 e ) R E t 2 τ − với 2 R L =
- Khi Transitor khoá, dòng điện đạt đến độ lớn: (1 ) 2 τ V t C e R E I = −
- Nếu không có điôt D1 thì năng lượng tích lũy trong cuộn dây W= LI2 2 1
sẽ gây quá áp trên các cực C-E làm phá hỏng Transitor và cuộn dây sơ cấp của biến áp xung.
- Mặc dù sơ đồ này đơn giản nhưng nó không được áp dụng rộng rãi, chỉ áp dụng cho những mạch có công suất điều khiển không lơn lắm, bởi lẽ hệ số khuếch đại của Transitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu vào từ khâu so sánh.
- Khi cần công suât điều khiển lớn, người ta dùng hai Transitor mắc theo kiểu Darlingtơn, chúng có hệ số khuếch đại bằng tích hệ số khuêch đại của hai Transitor:
2.5. Mạch tạo xung chùm:
- Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại, và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Thyristor mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các Thyristor. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, người ta đưa thêm một cổng AND với tín hiệu nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình vẽ dưới đây:
- Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ, cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo chùm xung.
- Trong thiết kế mạch điều khiển thường hay sử dụng khuếch đại thuật toán. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo xung chùm cũng có thể sử dụng khuếch đại thuật toán.