Chương II : MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU
3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 29
3.2 Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển.
Từng khâu của mạch điều khiển ghép lại được một kênh điều khiển như hình trên. Hoạt động của mạch điều khiển hình trên được giải thích như sau:
Điện áp vào từ nguồn xoay chiều qua máy biến áp làm hạ áp xuống tương ứng với mạch điều khiển, cùng pha với nguồn xoay chiều. Qua khuếch đại thuật tốn OA1 cho chuỗi xung hình chữ nhật đối xứng là điện áp đồng bộ Uđb. Phần điện áp dương của xung hình chữ nhật qua diode tới OA2 tích phân thành điện áp tựa Utựa, phần âm của điện áp đồng bộ Uđb làm mở thông Transistor Q1, kết quả là OA2 bị ngắn mạch (với Utựa bằng 0) trong vùng Uđb âm. Vậy đầu ra của OA2 ta được điện áp răng cưa Utựa gián đoạn.
Điện áp Utựa được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của OA3. Utựa > Uđk thì điện áp đầu ra của OA3 Uss âm, ngược lại Uss dương.
Ở khâu này, ta có thể thay đổi biến trở để thay đổi Uđk, quyết định góc mở α . Mạch đa hài tạo xung chùm OA4 cho ta chuỗi xung tần số cao ( hàng chục kHz). Xung ra từ mạch đa hài và xung ra từ khâu so sánh cùng được đưa tới khâu AND hai cổng vào. Khi đồng thời cả hai tín hiệu đều dương ta sẽ có xung ra làm mở thơng các Transistor, các Transistor này giúp làm khuếch đại xung ra đủ điều kiện để đưa tới mở Thyristor.
3.3 Giới thiệu một số linh kiện trong mạch điều khiển. 3.3.1 Tụ điện
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động bao gồm hai mặt dẫn điện gọi là bản cực tụ, được phân cách bởi một chất cách điện, gọi là điện mơi (khơng khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, thuỷ tinh...)
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 30
Giá trị của tụ điện là điện dung, được đo bằng đơn vị Farad (kí hiệu là F). Giá trị F là rất lớn nên hay dùng các giá trị nhỏ hơn như micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF).
1µF = 10-6 F 1nF = 10-9 F 1pF = 10-12 F Phân loại tụ điện :
- Theo tính chất lý hóa và ứng dụng : Có các loại như tụ điện phân cực, tụ điện không phân cực, tụ điện hạ áp và cao áp, tụ lọc và tụ liên lạc, tụ điện tĩnh và tụ điện động ( điều chỉnh được)….
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 31
- Phân loại theo cấu tạo và dạng thức : Tụ điện gốm ( tụ đất), tụ gốm đa lớp, tụ giấy, tụ mica màng mỏng, tụ bạc – mica, tụ hóa học, tụ siêu, tụ hóa, tụ tantalium, tụ vi chỉnh và tụ xốy ….
Đồ án mơn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 32
+ Điện dung , đơn vị và ký hiệu của tụ điện.
* Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức
C = ξ . S / d
Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d : là chiều dày của lớp cách điện.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 33
Sự phóng và nạp tụ: Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của tụ , nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều.
Tụ nạp điện : Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi cơng tắc K1 đóng, dịng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dịng nạp này làm bóng đèn l sáng, khi tụ nạp đầy thì dịng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt.
Tụ phóng điện : Khi tụ đã nạp đầy, nếu cơng tắc K1 mở, cơng tắc K2 đóng thì dịng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt.
=> Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn l sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu.
+ Đặc tính của tụ đối với nguồn 1 chiều
VDC là điện thế nguồn cung cấp t là thời gian tụ nạp (s)
e = 2,7182s
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 34
Dòng điện nạp: Khi điện thế tụ nạp được tăng dần thì dịng điện tụ nạp lại giản dần từ cực đại ban đầu là : I = VDC/ R xuống trị só cuối cùng là 0. Dịng diện nạp tức thời: ic = VDC.e-t/ ﺡ /R
Tụ xả: Điện thế hai đầu tụ khi xả: VDC(t) = VDC(1-e-t/ ﺡ) .Dòng điện xả cũng giảm dần theo hàm số mũ từ trị số cực đại ban đầu là I = VDC/ R xuống trị số cuối cùng là 0. Dòng điện xả: ic(t) = VDC.e-t/ ﺡ /R
+ Đặc tính của tụ đối với nguồn xoay chiều
Sức cản trở của tụ điện đối với nguồn AC: Dung kháng của tụ điện: XC = 1/ ωC = 1/2fC (Ω). Sức cản của tụ đối với nguồn AC được biểu thị bằng
dung kháng XC. Dung kháng của tụ tỉ lệ nghịch với tần số và điện dung. Góc pha giữa điện thế và dòng điện. Như vậy, điện thế VC có góc pha chậm hơn dịng điện i(t) 90o.
Cơng thức tính
C = dq/dU
C = ξ.S/(4.k.d.π) (điện dung tụ điện phẳng) Trong đó
C : là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. dq : là chiều dày của lớp cách điện.
S : là diện tích bản cực của tụ điện. k = 9.109
Dung kháng của tụ điện: Xc = 1/ωC = 1/2πfC
Đối với tụ điện lí tưởng khơng có dịng qua hai tấm bản cực tức là tụ điện khơng tiêu thụ cơng suất. Nhưng thực tế vẫn có dịng từ cực này qua lớp điện môi đến cực kia của tụ điện, vì vậy trọng tụ có sự tổn hao cơng suất. Thường sự tổn hao này rất nhỏ và người ta thường đo góc tổn hao (tgδ) của tụ để đánh giá tụ điện.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 35
Để tính tốn, tụ điện được đặc trưng bởi một tụ điện lý tưởng và một thuần trở mắc nối tiếp nhau (đối với tụ có tổn hao ít) hoặc mắc song song với nhau (đối với tụ có tổn hao lớn), trên cơ sở đó xác định góc tổn hao của tụ.
3.3.2 Điện trở.
+ Điện trở của dây dẫn :
Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây.được tính theo cơng thức sau:
R = ρ.L / S
Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu L là chiều dài dây dẫn
S là tiết diện dây dẫn
R là điện trở đơn vị là Ohm + Điện trở trong thiết bị điện tử :
Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.
Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý. + Đơn vị của điện trở
Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ 1KΩ = 1000 Ω
1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω + Cách ghi trị số của điện trở
Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi trị số bằng các vạch mầu theo một quy ước chung của thế giới.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 36
Quy ước màu quốc tế:
Đen 0 - Nâu 1 - Đỏ 2 - Cam 3 - Vàng 4 - Xanh lá 5 - Xanh lơ 6 - Tím 7 - Xám 8 - Trắng 9
Nhũ vàng - 1 - Nhũ bạc -2
Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vịng mầu , điện trở chính xác thì ký hiệu bằng 5 vòng mầu.
* Cách đọc trị số điện trở 4 vòng mầu :
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 37
Vòng số 5 là vòng cuối cùng , là vịng ghi sai số, trở 5 vịng mầu thì mầu sai số có nhiều mầu, do đó gây khó khăn cho ta khi xác điịnh đâu là vòng cuối cùng, tuy nhiên vịng cuối ln có khoảng cách xa hơn một chút.Đối diện vòng cuối là vòng số 1
Tương tự cách đọc trị số của trở 4 vòng mầu nhưng ở đây vòng số 4 là bội số của cơ số 10, vòng số 1, số 2, số 3 lần lượt là hàng trăm, hàng chục và hàng đơn vị.
Trị số = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) x 10 ( mũ vịng 4) Có thể tính vịng số 4 là số con số không "0" thêm vào
Các điện trở có kích thước lớn hơn từ 2Ω trở lên thường được ghi trị số trực tiếp trên thân.Ví dụ như các điện trở công xuất, điện trở sứ.
+ Phân loại điện trở:
Điện trở thường : Điện trở thường là các điện trở có cơng suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W
Điện trở công suất : Là các điện trở có cơng suất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W.
Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công suất , điện trở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt.
+ Công suất của điện trở :
Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công suất P tính được theo cơng thức
P = U.I = U2 / R = I2.R
Theo công thức trên ta thấy, công suất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở.
Công suất tiêu thụ của điện trở là hồn tồn tính được trước khi lắp điện trở vào mạch.
Nếu đem một điện trở có cơng suất danh định nhỏ hơn cơng suất nó sẽ tiêu thụ thì điện trở sẽ bị cháy.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 38
Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có cơng suất danh định ≥ 2 lần cơng suất mà nó sẽ tiêu thụ.
3.3.3 LM 741
Các mạch khuếch đại thuật tốn đều có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng:
- Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v-. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn ...
- Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhạy cho Op-Amps. Trong tầng này cịn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra.
- Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.
* Opamp ở trạng thái lý tưởng có các đặc tính. - Độ lợi vịng hở K bằng vơ cực.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 39
- Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực. - Tổng trở vào bằng vô cực.
- Tổng trở ra bằng 0. - Các hệ số λ bằng vô cực.
- Khi ngõ vào 0 volt , ngõ ra luôn ở 0 volt. * Đặc tính truyền đạt điện áp vịng hử của KĐTT
Theo đặc tuyến này có 3 vùng làm việc:
- Vùng khuếch đại : Vo = Avo.ΔVi = Avo. (Vi+ - Vi- )
- Vùng bão hòa dương: Vo = +Vcc , ΔVi > Vs
- Vùng bão hòa âm : Vo = -Vcc , ΔVi < Vs
±Vs là các mức ngưỡng của điện áp đầu vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo cịn là tuyến tính. Các KĐTT thường có Vs khoảng từ vài chục µV đến vài trăm µV.
Các mạch dùng khuếch đại thuật tốn OA.
Đồ án mơn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 40
Mạch khuếch đại không đảo.
Mạch đệm.
Mạch làm toán
Mạch cộng đảo dấu
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 41
Mạch trừ ( mạch khuếch đại vi sai)
Mạch tích phân
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 42
Tuy nhiên thực tế không thể chế tạo được các opamp lý tưởng, với công nghệ hiện đại, các nhà sản xuất đã chế tạo được các IC gần đạt được trạng thái lý tưởng của Opamp. Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amps làm việc ở trạng thái vịng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào mà Op-Amps khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±Vcc. Do đó mạch khuếch đại vịng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở Av0 xuống một mức thích hợp. Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op- amps sẽ rộng ra, Op-Amps làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vịng kín
+ Vi mạch khuyếch đại thuật tốn 741 có hai đầu vào " INVERTING(-) " : Đảo và " NON-INVERTING(+) " : Không đảo
Sơ đồ chân của khuếch đại thuật toán 741
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 43
Gương dòng điện
Các phần mạch điện được tơ màu đỏ cam là các gương dịng điện. Dịng điện ban đầu
để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra. Dịng điện được tính gần đúng bằng: (VS+ − VS− − 2Vbe)/39 kΩ.
Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được điều khiển bởi hai gương dịng điện bên phía trái. Q10 and Q11 hình thành một nguồn dịng Widlar trong đó điện trở 5kΩ sẽ đặt dịng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điện ban đầu. Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3 và Q4 nhưng cũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4. Dòng nay cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào, và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ.
Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dịng điện của đầu vào có
khuynh hướng tăng cao hơn dịng điện Q10, thì gương dịng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện ra khỏi cực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào, và ngược lại. Như vậy, điều kiện về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi tiếp âm có độ lợi cao.
Vịng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướn đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền của Q3/Q4 bám theo 2Vbe thấp hơn trị số của điện áp đầu vào.
Gương dịng điện ở góc trái trên Q12/Q13 tạo ra dịng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13, và độc lập với điện áp ngõ ra.
Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 44
Tầng khuếch đại vi sai đầu vào
Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai. Q1