Bài 8: Nguồn điện một chiều Th ời gian : 18 giờ
8.1. Giới thiệu chung về nguồn điện một chiều
- Bài học này giới thiệu về nguyên lý mạch điện, các thông số cơ bản đánh giá về các mạch biến đổi công suất (chỉnh lưu) cố định một pha bán kỳ M1, toàn kỳ M2 và B2, mạch chỉnh lưu 3 pha bán kỳ M3 và toàn kỳ B6
- Nội dung bài còn đi sâu vào khảo sát về dòng điện, điện áp cũng như công suất trong các mạch nêu trên nhằm giúp người học có khả năng phân tích, phán đoán các nguyên nhân hư hỏng có thể xảy ra trong thực tế
8.1.1. Chức năng
Như đã đề cập ở các bài trước, nguồn cấp điện một chiều thường được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha vì các máy phát điện một chiều ngày càng ít thông dụng. Trong thiết bị điện tử công suất thường gặp các giá trị dòng thuận lớn và điện áp nghich cao. Do đó, chỉ các diode silicon trong các mạch điện ở phần sau được dùng làm van chỉnh lưu
Khác với điện áp một chiều từ nguồn pin hoặc các nguồn ổn áp, điện áp ra của các mạch chỉnh lưu không cố định theo thời gian mà có dạng xung một chiều, còn được gọi là điện áp hổn hợp, điện áp này có thể đo được bằng các thiết bị đo từ điện (trị trung bình) hoặc thiết bị đo điện từ (hiệu dụng). Nếu dùng các thiết bị đo có chỉnh lưu (VOM) thì hệ số hình dáng của điện áp đo phải được tính toán, điều này là cần thiết vì thang đo của loại thiết bị này được khắc độ theo trị hiệu dụng, hệ số hình dáng được chọn giá trị là F = 1,11 (IFAV ≠ IFRMS)
Với điện áp và dòng DC có dạng xung, sự sai biệt giữa trị trung bình với trị hiệu dụng là kết quả của sóng hài.
8.1.2. Sơ đồ khối và chức năng các khối
Điện áp hổn hợp ở hình 4.3 bao gồm thành phần DC lý tưởng Ud và thành phần AC hình sin với
Đối với điện áp ở hình 3.3, giá trị trung bình của điện áp hổn hợp được đo bằng dụng đo từ điện là :
Ud = 10 V
Trị hiệu dụng của điện áp hổn hợp là
Với Ud = û = 10 V, suy ra :
Như đã đề cập ở trên, trong thực tế các giá trị hiệu dụng thường được đo bằng các thiết bị đo điện từ
Trong trường hợp tải thuần trở, phương pháp đo này cũng được áp dụng khi xem các giá trị đo
Ud ≠ Um và tương tự như thế Id ≠ Im Sự khác nhau này cũng đúng với công suất
8.2. Mach chỉnh lưu
8.2.1.Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ
Giả sử Ploss = 0 W đối với mạch chỉnh lưu lý tưởng, do đó :
Kết quả là P(AC) = P(DC)
Điều này cũng được chứng minh trực tiếp bằng cách dùng thiết bị đo kiểu điện động
Hình 3.4 Sơ đồ mạch chỉnh lưu lý tưởng với đồng hồ đo công suất P = Pm Từ hình 3.4, công thức tính công suất chỉ đúng trong biểu thức sau :
Pm = Um x Im > Ud x Id
Công suất một chiều Pm lớn hơn công suất một chiều Pd, nếu kể đến công suất dư Pex là công suất tạo nên bởi thành phần gợn sóng hoặc bởi các sóng hài
Trong trường hợp lý tưởng Uripp = 0 suy ra : P(a.c) = Ud x Id
Điện áp gợn sóng được định nghĩa là giá trị hiệu dụng của các sóng hài
Vì trong lĩnh vực điện tử công suất các thành phần gợn sóng chủ yếu phụ thuộc vào mạch chỉnh lưu, hệ số gợn sóng được định nghĩa là tỉ số giữa điện áp gợn sóng với điện áp một chiều
8.2.2. Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ biến áp có điểm giữa
Nếu điện áp ở hình 3.3 đặt lên một tải thuần trở thì công suất thực sự rơi trên tải sẽ là :
Gồm hai thành phần
8.2.3. Mạch chỉnh lưu cầu
Trong lĩnh vực điện tử công suât, mạch này không quan trọng lắm do mạch có nhiều đặc điểm không phù hợp với các mạch biến đổi công suất.
Trong hình 3.5 vì không điều khiển được nên van V10 chỉ bắt đầu dẫn khi điện áp anode dương hơn cathode, điều này chỉ diển ra trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều và tạo nên dòng một chiều chảy ngang qua tải Rload. Giả sử rF << Rload ; u (a.c) = u (d.c) tại mọi thời điểm của bán kỳ dương. Trong khoảng thời gian bán kỳ âm Rload << RR ≈ ∞ Ω, lúc này mạch không dẫn và u = -UAK
Hình 3.5 Mạch chỉnh công suất một nửa chu kỳ
Trong hình 3.6 giá trị tức thời của điện áp một chiều ở ngõ ra được trình bày đầy đủ và điện áp xoay chiều được biểu diển bằng đường đứt nét
Như đã biết, trị hiệu dụng U của điện áp xoay chiều ngõ vào được tính theo công thức (đường đứt nét trong hình 3.6)
Trong đó, là trị hiệu dụng của điện áp DC ở ngõ ra (đường gạch chấm) trong hình 3.6
8.2.4. Mạch bội áp
Trong thực tế, trị trung bình của điện áp DC ở ngõ ra rất quan trọng, đối với mạch M1 giá trị này được tính như sau :
Do trong mạch M1, điện áp DC chỉ xuất hiện trong một bán kỳ nên sẽ phát sinh các dòng điện cao không liên tục trên tải điện trở. Trong nhiều ứng dụng điện tử công suất cần phải tránh những khoảng thời gian không có dòng điện như thế.
Điện áp được làm phẳng bằng cách dùng các điện dung nếu không thì thông thường kỹ thuật chỉnh lưu sẽ không có ý nghĩa. Vì đối với tải dòng lớn tụ cũng phải có điện dung rất lớn nên trong các mạch biến đổi công suất dòng điện được làm phẳng bằng cuộn cảm.
Đỉnh điện áp nghịch URRM đặt lên diode bằng với đỉnh âm của điện áp xoay chiều
8.3. Mạch lọc
Số xung p có nghĩa là số khối điện áp DC xảy ra trong cùng một chu kỳ với điện áp nguồn AC. Trong mạch chỉnh lưu bán kỳ giá trị p = 1 và chỉ có 1 xung xuất hiện có nghĩa là một bán kỳ hình sin trong mỗi chu kỳ, ở bán kỳ thứ hai không có điện áp, khoảng trống điện áp lớn này biểu thị điện áp gợn sóng và hệ số gợn sóng của điện áp DC trong mạch chỉnh lưu.