6. Bố cục của luận án
2.2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước
Phương pháp phổ biến điều chỉnh mức sáng của đèn trong chiếu sáng dân dụng hiện nay là dựa trên cắt mức năng lượng biên trước. Phương pháp này sử dụng khóa điện tử là TRIAC (thường được kích bởi mạch RC) chỉ cho dòng chạy qua tại một thời điểm nhất định sau điểm 0 của tín hiệu sin và chỉ đóng khi dòng điện đảo chiều.
27
Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC (Nguồn: https://www.electronics- tutorials.ws/power/triac.html)
Việc điều chỉnh thời gian mở trong mỗi nửa chu kì dựa trên điều chỉnh thời gian phóng nạp của một tụ điện qua một biến trở. Hình 2.4 minh họa đồ thị điện áp theo thời gian đối với cắt mức năng lượng biên trước.
Hình 2.4: Cắt mức năng lượng biên trước, với d là khoảng thời gian điện áp ở mức 0
Đối với cắt mức năng lượng biên trước:
- Khi k.T < t < k.T + d (với T = 1/50) thì Ura = 0
28 Phương pháp cắt biên trước có hiệu quả với đèn sợi đốt. Để chứng minh, luận án đã thực hiện thí nghiệm điều khiển độ sáng bóng đèn sợi đốt, sử dụng phương pháp cắt biên trước. Thí nghiệm đối với bóng sợi đốt được đưa ra kết quả như hình 2.5.
-
Hình 2.5: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên trước; a. URMS = 72.1V, IRMS = 110mA; b. URMS = 154V, IRMS = 156mA; c. URMS = 197V, IRMS
= 176mA; d. URMS = 222V, IRMS = 187mA
Dựa trên kết quả của thí nghiệm được chỉ ra ở hình 2.5, chúng ta có thể thấy điện áp và dòng điện đi qua bóng không xuất hiện các xung ngược hay các sóng hài bậc cao, bởi bóng sợi đốt là tải thuần trở nên không xuất hiện các thành phần tần số cao. Do đó, bóng đèn sợi đốt có thể điều chỉnh độ sáng bằng phương pháp cắt biên trước.
Trong thực tế, những bộ điều chỉnh độ sáng cắt biên trước thường được sử dụng để làm mờ đèn sợi đốt và đèn halogen. Tuy nhiên, những bộ điều chỉnh độ sáng này có tải tối thiểu cao, khiến chúng trở nên ít hữu ích hơn đối với ánh sáng năng lượng thấp như đèn LED. Bộ điều chỉnh độ sáng có yêu cầu tải tối thiểu vì nếu tải LED không tạo đủ dòng điện để giữ các phần tử chuyển mạch của bộ điều chỉnh độ sáng đóng. Yêu cầu tải tối thiểu cao của bộ điều chỉnh độ sáng cạnh trước có nghĩa là có thể gặp khó khăn để đáp ứng mức tối thiểu này với đèn LED và mức tiêu thụ điện năng thấp của chúng. Vì điều này, sẽ phải sử dụng nhiều đèn LED trên một bộ điều chỉnh độ sáng để đáp ứng các yêu cầu tải tối thiểu của bộ điều chỉnh độ sáng cạnh trước.
29 Bên cạnh đó, trong mỗi nửa chu kì dòng điện bắt đầu từ 0 rồi tăng vọt lên một giá trị nhất định. Theo nghiên cứu của Elliott về dimming đối với bóng đèn [58], khi sử dụng phương pháp cắt biên trước thời gian tăng của điện áp từ 0 lên 300V là 1.8us. Chính thời gian tăng nhanh này là nguyên nhân khiến các thiết bị tải phi tuyến, chẳng hạn như đèn LED, dễ dẫn đến hư hỏng, vì trong các thiết bị này luôn có một hoặc một vài tụ điện được nạp với dòng điện có cường độ tăng rất nhanh, chưa đến 2us, trong mỗi nửa chu kỳ. Điều này có thể lý giải như sau:
Khi đặt điện áp uc vào hai đầu tụ điện, sẽ có điện tích q tích lũy trên bản cực tụ điện: q = C.uc, trong đó C là giá trị điện dung của tụ điện. Nếu điện áp uc biến thiên, sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện:
ic= dqdt =Cduc
dt (2.5)
Trong đó:
- ic: Dòng điện chạy qua tụ điện
- C: Điện dung của tụ điện
- uC: Điện áp trên hai đầu tụ
Khi uc tăng vọt từ 0 đến 300V, tương đương với duc rất lớn, tuy nhiên dt lại rất nhỏ (cỡ 1.8us, theo Elliott [58]), gây ra ic tăng vọt. Dòng điện tăng vọt này gây ra hiện tượng dòng đột biến (surge current) đi qua các phần tử của đèn LED, gây ảnh hưởng tới tuổi thọ của đi ốt, từ đó giảm tuổi thọ của LED. Để làm rõ cho luận điểm này, luận án đã tìm hiểu ảnh hưởng của dòng điện đột biến (surge current) tới tuổi thọ của đi ốt được đưa ra trong tài liệu tham khảo kỹ thuật của đi ốt. Trong kỹ thuật, các xung gây ra trong dòng điện do sự mất cân bằng điện áp, điều kiện khởi động, hoặc sự khác biệt về điện thế được gọi là dòng điện đột biến. Một số nguồn xoay chiều (AC) như nguồn điện cảm ứng, biến áp,… có thể tạo ra một lượng lớn dòng điện đột biến cho đến vài chu kỳ khi được bật. Điều này có thể gây ra sự cố hoặc hư hỏng của thiết bị. Cụ thể, tài liệu tham khảo kỹ thuật của đi ốt cầu chỉ ra tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến với giới hạn chịu đựng của đi ốt đối với chu kỳ lặp lại của dòng điện đột biến:
Nhìn vào hình 2.6, ta có thể thấy được giới hạn chịu đựng chu kỳ lặp lại của dòng điện đột biến phụ thuộc vào giá trị cường độ đỉnh của dòng đột biến, và giới hạn này tỷ lệ nghịch với giá trị cường độ đỉnh này. Với cường độ dòng điện đỉnh càng cao, giới hạn chịu đựng của đi ốt càng thấp.
30
Hình 2.6: Đồ thị tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến và giới hạn chịu đựng dòng điện đột biến của đi ốt cầu (Nguồn: https://datasheetspdf.com/pdf/1391020/SMCDiode/ABS10/1
Để minh chứng cho nhược điểm trên của phương pháp cắt biên trước, luận án thực hiện kiểm thử điều chỉnh công suất cho bóng đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước. Trong thí nghiệm này sẽ sử dụng bóng đèn LED công suất 5W và mạch điều chỉnh công suất sử dụng TRIAC.
Mạch điện điều chỉnh công suất cho bóng đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước trong thực tế được chỉ ra ở hình 2.7:
Hình 2.7: Mạch điện điều chỉnh công suất đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước
Đồ thị dòng điện đi qua tải đối với phương pháp điều khiển điện áp cắt biên trước đo được trên oscilloscope thể hiện ở hình 2.8. Đồ thị ở hình 2.8 cho thấy, xung dòng điện đỉnh đi qua thiết bị tải lên tới 1,7A với công suất của đèn LED chỉ là 5W. Nếu chúng ta sử dụng tải đèn là 50W thì giá trị của xung dòng điện này sẽ tăng lên gấp 10 lần là 17A. Giá trị này gây tổn hại rất lớn đến lưới điện, hệ thống điều khiển và tuổi thọ của linh kiện trong mạch. Cụ thể ở đây với đèn LED chúng ta sẽ sử dụng một mạch cầu đi ốt có
31 thể chịu được dòng xung cực đại là 10A với số lần chịu xung là 100 lần với độ rộng xung là 50% và tần số là 50Hz, cường độ dòng điện đỉnh 17A, đi ốt cầu trong hình 2.6 có thể chịu được khoảng 50 lần lặp lại của dòng điện đột biến (với tần số lặp lại 60Hz – bằng với tần số dòng điện xoay chiều cung cấp cho thiết bị), trước khi đi ốt này mất tác dụng. Vì vậy, đối với các xung dòng điện đỉnh lên đến 17A, lặp đi lặp lại trong quá trình điều khiển công suất bằng biện pháp cắt biên trước, sẽ làm giảm tuổi thọ của đi ốt cầu từ đó làm giảm tuổi thọ của đèn LED
Hình 2.8: Đồ thị dòng điện và điện áp đi qua tải bóng đèn LED đối với phương án điều khiển điện áp cắt biên trước.
a. URMS = 68.4V, IRMS = 43.9mA; b. URMS = 153V, IRMS = 76.4mA; c. URMS = 199V, IRMS = 65.6mA; d. URMS = 223V, IRMS = 27.7mA
.