I. Mạch chỉnh lưu không điều khiển (theo từng loại tải)
6. Chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu điều độ rộng xung
1/ Mạch chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ
Chỉnh lưu dùng SCR gọi là chỉnh lưu có điều khiển. SCR chỉ mở cho dòng chảy qua khi thỏa mãn hai điều kiện: UAK>0 và IG > 0 và nó tự động khóa lại ở bán kỳ âm của điện áp, vì vậy cần phải có mạch kích SCR vào thời điểm thích hợp.
47
Hình 2.17 : Mạch chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R.
Vào bán kỳ dương đoạn từ 0 - α SCR được phân cực thuận nhưng vẫn chưa dẫn vì chưa có xung kích vào cực G. Đoạn từ α đến π SCR dẫn vì đã có xung kích vào cực G. Vào bán kỳ âm SCR được phân cực nghịch nên SCR ngưng dẫn. Như vậy, tùy thuộc vào vị trí góc mở α mà dạng sóng điện áp ra thay đổi.
Điện áp ra trung bình trên tải
với α gọi là góc mở tính từ thời điểm điện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0 Trường hợp tải R + L: Do tải mang tính cảm nên đường cong dịng điện id kéo dài ra khỏi π khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm
l là góc tính từ gốc toa độ đến điểm dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắt dịng.
Hình 2.18 : Dạng điện áp và dòng điện trên tải R + L khi chỉnh lưu bán kỳ bằng SCR
48 a) Điện áp vào hình sin U
b) Điện áp ra Udα tại α = 450 và α = 1350
c) Điện áp UAK trên thyristor
Hình 2.19
Trong trường hợp tải thuần trở, mỗi khi thyristor được kích, điện áp và dòng điện trên tải ln đồng pha với nhau. Vì dịng điện lớn nhất khi α = 00 giống như trong mạch chỉnh lưu nên việc tính chọn van có thể theo cơng thức sau
Đối với các mạch biến đổi cơng suất có điều khiển khác, dòng điện tại α = 00 cũng bằng với dịng điện của mạch biến đổi cơng suất cố định
Đặc tính điều khiển
Đồ thị biểu diển tỉ số điện áp là một hàm theo góc kích α của mạch M1 được trình bày ở hình 2.20
Hình 2.20 Đặc tính mạch biến đổi điều khiển bán phần tải thuần trở
49
Hình 2.21 Khảo sát về điện áp
Với mạch điện mơ tả trong hình 2.21 cũng như với tất cả các mạch biến đổi công suất điều khiển được , điện áp ra DC Udα là một hàm theo góc kích α và được biểu diển theo công thức sau
Khi góc kích α = 00,
Từ phạm vi góc kích cho phép, hình 2.21 trình bày hai trường hợp α = 450
và α =1350
Nếu α = 1800 thì mạch khơng thể kích được vì giá trị tức thời của điện áp xoay chiều lúc này bằng 0. Khi α > 1800 , mạch cũng khơng kích được vì điện áp anode của thyristor âm hơn cathode trong suất khoảng thời gian bán kỳ âm, do đó thyristor sẽ tắt
7. Mạch chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển
Với Uin = UAB ta có điện áp trung bình lối ra:
Ta có thể kích theo thứ tự từng SCR một, nhưng cũng có thể kích đồng thời hai SCR vì lúc đó một trong hai SCR bị phân cực ngược do đó khơng bị ảnh hưởng bởi xung kích.
50
Hình 2.22. Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ ra
8. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển.
Hình 2.23: Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR
Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấp đơi. Điện áp trung bình lối ra:
Ngồi sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, cịn có các mạch chỉnh lưu gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diode.
Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu khơng đối xứng cũng như trường hợp đối xứng đối , tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ.
51
Hình 2.24: Mạch chỉnh lưu cầu khơng đối xứng
9. Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển.
Điện áp ra trung bình: Trường hợp : α ≤ 300; Utb = 1,17 Up.cosα với α là góc tính từ điểm giao nhau của các đường điện áp pha (phần dương) đến khi có xung điều khiển. Khi
Hình 2.25 : Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ ra
1/ Khảo sát mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển
Mạch M3 (hình 2.26) rất thích hợp để mơ tả hiệu quả của mạch biến đổi cơng suất, do đó trong phần này sẽ khảo sát một số tính chất đặc biệt của chúng
52
Hình 2.26 Mạch chỉnh lưu M3 có điều khiển
2/ Phạm vi điều khiển
Khối tạo xung kích cho các thyristor trong mạch M3 phải được thiết kế sao cho có thể tạo ra 3 xung trong mỗi chu kỳ và lệch nhau 1200, thêm vào đó chúng phải có khả năng dịch pha khi cần thiết tương ứng với phạm vi điều khiển. Do điện áp UL1N từ thời điểm chuyển mạch đầu tiên (α = 00) đến điểm giao nhau với UL3N (α = 1800) có giá trị dương hơn điện áp này, van V1 chỉ có thể được kích trong khoảng thời gian này. Với Id = hằng số hoặc khơng có sự gián đoạn dịng điện, V3 duy trì trạng thái dẫn cho đến khi V1 được kích. Với mạch biến đổi này, các loại tải tích cực cho phép phạm vi điều khiển theo lý thuyết từ α = 00 đến α = 1800. Phạm vi điều khiển giảm với một tải điện trở. Tuy nhiên, do điện áp ra không xuất hiện phần âm. Đối với loại tải này van tương ứng bị khóa tại α = 1500
Do thời gian chuyển mạch và thời gian tắt của các van, van không nhận được điện áp thuận trong khoảng thời gian này, với tải tích cực phạm vi điều khiển chỉ có thể áp dụng khoảng α = 1500 (hình 2.27)
Hình 2.27 Phạm vi điều khiển của mạch M3
3/ Khảo sát điện áp
Điện áp một chiều của mạch B2 chỉ không phụ thuộc vào tải tại α = 00. Với mạch M3 thì khác, điện áp DC độc lập với tải trong khoảng từ α = 00 đến α = 300. Điều này có nghĩa là ngay cả khi tải là thuần trở hiện tượng khe hở có thể bắt đầu sớm nhất khi α > 300 và cũng nên
53 nhớ rằng tại thời điểm này thời điểm kích đầu tiên trong mạch M3 là 300. Do đó với góc kích α = 300 trùng với ωt = 600 của điện áp xoay chiều, vị trí đặc biệt này được gọi là góc điều khiển tới hạn αcrit. Trên góc điều khiển tới hạn, điện áp DC của mạch M3 được tính như sau : Đối với tải điện cảm quan hệ trên cũng được áp dụng trong khoảng 00 ≤ α ≤ 900 và trong khoảng 900 ≤ α ≤ 1800, điện áp Udα ln bằng 0 (hình 2.28 ). Trong hình này cịn cho thấy điện áp Udα chỉ có giá trị âm khi tải là loại tích cực.
Hình 2.28 Sự phụ thuộc đặc tính điều khiển theo tải trong mạch M3
Từ α = αcrit = 300 trở đi, có hiện tượng khe hở khi tải là thuần trở nên Udα phải được tính theo cơng suất sau :
Trong phạm vi góc kích 1500 ≤ α ≤ 1800 , điện áp Udα = 0 V vì như đã biết với tải điện trở điện áp DC khơng có phần âm.
II. Điện áp ngõ vào, ngõ ra mạch chỉnh lưu, sóng hài ngõ ra mạch chỉnh lưu1. Mạch chỉnh lưu mộtnửa chu kỳ 1. Mạch chỉnh lưu mộtnửa chu kỳ
Các giá trị điện áp và dịng điện
Điện áp trung bình
54 Khi đo biên độ điện áp DC sau khi chỉnh lưu bằng VOM, giá trị đo được là điện áp trung bình của dạng sóng. Quan sát hình 1.5 chúng ta thấy giá trị điện áp trung bình nhỏ hơn một nửa giá trị điện áp đỉnh.
Điện áp trung bình đối với mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ được tính bằng cơng thức:
Ở đây là điện áp đo được bằng hầu hết các loại đồng hồ vạn năng (VOM)
- Điện áp đỉnh của nguồn cung cấp (trước khi chỉnh lưu)
Giá trị của điện áp AC luôn luôn được xem là điện áp hiệu dụng trừ khi nó được chỉ thị trên các dụng cụ đo. Chính vì vậy để tính tốn trong mạch chỉnh lưu chúng ta cần chuyển đổi sang giá trị điện áp đỉnh bằng công thức sau:
Điện áp đỉnh đặt trên tảI sẽ nhỏ hơn điện áp đỉnh đưa vào chỉnh lưu 0,6V do sụt trên điốt. Cho ví dụ cụ thể ở hình 1.6, nếu nguồn cung cấp đưa vào mạch chỉnh lưu là 12VAC và điện áp sụt trên điốt là 0,6V thì điện áp đỉnh của nguồn cung cấp sẽ là:
Còn điện áp đỉnh đặt lên tảI là:
Khi đó điện áp trung bình trên tảI sẽ được xác định bởi cơng thức:
Trong ví dụ trên
Đây là điện áp đo được trên tảI bằng VOM ở thang DC và tảI chỉ có duy nhất điện trở RL.
- Dịng điện trung bình
Dịng điện trung bình và dịng điện đỉnh có thể dễ dàng tính ra từ điện áp trung bình và điện áp đỉnh. Dịng điện chạy qua tảI giống như dịng chạy qua điốt vì tảI mắc nối tiếp.
và
Điện áp ngược cực đại trên điốt trong mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ
Khi điốt ở trạng tháI phân cực ngược, biên độ điện áp đặt lên điốt lúc này là giá trị điện áp
P PP av V V V 1 0,318 av V PP V 2 Vav PP V 12V1,41416,968V V V V 0,6 16,368 968 , 16 ) ( 318 , 0 1 RL PP PP av V V V V Vav0.31816,3685,2 L av av R V I L PP PP R V I
55 từ đỉnh tới đỉnh của điện áp đưa vào chỉnh lưu. Vì thế các điốt mắc trong mạch chỉnh lưu cần có đủ khả năng chịu được điện áp này. Mức chịu điện áp ngược cực đại được các nhà sản xuất đưa ra trong các bảng tra cứu.
Khi chọn các điốt dùng cho các mạch chỉnh lưu, hoặc để thay thế cần chọn loại có mức chịu được lớn hơn điện áp ngược cực đại đặt lên chúng. Điện áp này trong các bảng tra cứu thường gọi là điện áp ngược và ký hiệu là PIV
Ưu, nhược điểm của mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ
Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ có ưu điểm là đơn giản, ít linh kiện. Tuy nhiên nó có những nhược điểm chính như sau:
- Chỉ sử dụng ổn định khi tảI tiêu thụ dòng nhỏ
- Hiệu suất thấp, chỉ đạt chưa tới 50% vì điốt chỉ dẫn điện trong một nửa chu kỳ - Dịng điện đưa ra tảI khơng liên tục
2. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa
Các giá trị điện áp và dòng điện
- Điện áp trung bình
- Dịng điện trung bình trên tải
- Dòng điện đỉnh trên tải
Điện áp ngược cực đại trên điốt trong mạch chỉnh lưucả chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa
Điện áp ngược cực đại đặt lên điốt trong mạch bằng toàn bộ điện áp đỉnh đặt trên cuộn thứ cấp của biến áp. Trong hình1.6a khi D1 dẫn thì D2 đóng vì bị phân cực ngược. Điện áp phân cực ngược từ đầu dương của V1 thông qua D1 đặt vào catốt của D2. Trong khi đó anốt của D2 lại đấu với điểm âm của V2, vì thế điện áp đặt lên D1 à tổng hai điện áp V1 và V2! Đó là nhược điểm của mạch chỉnh lưu kiểu này.
Hiệu suất
Xét về mặt hiệu suất, mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa cao hơn nhiều so với mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Vì dịng chạy trong các cuộn thứ cấp của biến áp đã được sử dụng cả chu kỳ. Đạt được hiệu suất như thế là nhờ sử dụng biến áp có điểm chung ở thứ cấp như đã giới thiệu ở trên. Điều đó có nghĩa là số vịng của cuộn thứ cấp biến áp phảI tăng lên gấp đơivà vì vậy giá thành cũng tăng theo!
Ứng dụng ) ( 637 , 0 PPRL av V V L av av R V I L PP PP R V I
56 Trong những năm trước đây, mạch chỉnh lưu kiểu này rất phổ biến vì đáp ứng được yêu cầu về dòng điện. Ngày nay nó đã được thay thế bằng mạch chỉnh lưu cầu. Tuy nhiên trong một số các thiết bị hiện đang tồn tại, các kiểu mạch này vẫn cịn, vì thế học viên vẫn phảI tìm hiểu để xử lý khi gặp phải.
3. Mạch chỉnh lưu tồn kỳ hình cầu.
Điện áp trung bình
Hình 2.30 Điện áp trung bình
Trong mạch chỉnh lưu cầu dịng chạy qua tảI trong cả chu kỳ, vì vậy điện áp và dịng điện trung bình mà tảI nhận được gấp đơI so với mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ.
= và
Chú ý rằng các mạch chỉnh lưu đã giới thiệu ở trên chưa có tụ lọc, bởi thế giá trrị trung bình của điện áp và dịng điện khơng được sử dụng để tính cơng suất hao phí trên bất kỳ trở tải nào.
4. Mạch chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ
Điện áp ra trung bình trên tải
với α gọi là góc mở tính từ thời điểm điện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0
5. Mạch chỉnh lưu cơng suất hai nửa chu kỳ có điều khiển
Với Uin = UAB ta có điện áp trung bình lối ra:
III. Lọc điện cảm, lọc điện dung
Nguồn điện sau khi được chỉnh lưu thành điện một chiều tuy nhiên chưa ddwwocj ổn định, xuất hiện nhiều sóng hài và dạng sóng nhấp nhơ khơng thích hợp cho các thiết bị lẫn linh kiện điện tử hoạt động. Vì thế bộ phaank lọc là cần thiết và vô cùng quan trọng sau chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều.
TB V 2 P V 0,637VP L TB TB R V I
57 Có rất nhiều phương pháp để lọc nguồn. Tuy nhiên hai phương pháp phổ biến và thường được sử dụng nhất là lọc bằng điện cảm (cuộn cảm) và lọc bằng điện dung (tụ điện) bởi sự ưu việt và cả sự đơn giản tiện lợi mà chất lượng lọc nguồn rất tốt mà chúng mang lại.
1 Lọc điện dung
Sơ đồ tụ lọc trong mạch nguồn
Hinh 2.31. Sơ đồ tụ lọc trong mạch nguồn
Sơ đồ trên minh hoạ các trường hợp mạch có tụ lọc và khơng có tụ lọc.
Khi cơng tắc K mở, mạch chỉnh lưu khơng có tụ lọc tham gia , vì vậy điện áp thu được có dạng nhấp nhơ.
Khi cơng tắc K đóng, mạch chỉnh lưu có tụ C1 tham gia lọc nguồn, kết quả là điện áp đầu ra được lọc tương đối phẳng, nếu tụ C1 có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng, tụ C1 trong các bộ nguồn thường có trị số khoảng vài ngàn µF
Dạng sóng ngõ ra khi có tụ lọc
Hinh2.32 . Dạng sóng ngoc ra khi có tụ lọc
2 Lọc điện cảm
58 vì nó luuw trữ năng lượng trong từ trường của nó và giải phóng nó trở lạo mạch đầu ra. Hiệu ứng của cuộn cảm lưu trữ và giải phóng năng lượng vào mạch đầu ra để tạo sự lệch pha nhẹ, làm phẳng khu vực giữa đỉnh dòng điện. Cùng với tụ điện cuộn cảm sẽ lọc điện áp và dịng điện đầu ra tồn sóng một chiều để tạo ra nguồn cung cấp điện một chiều gần như thuần túy hơn.
Hình2.33 . Sơ đồ và dạng sóng ngõ ra khi có cuộn cảm lọc nguồn
IV Tính tốn mạch chỉnh lưu
1. Tính tốn thiết kế mạch chỉnh lưu bán kỳ
Hình 2.34. Sơ đồ thiết kế
Thơng số của Diode
Vngược Vthuận Ithuận f
59 1N4007 1000V 60V 5V 60hz – 1Mhz 12 2 1 16 max max U U U V R = - D= - » Chọn PR max = 1/8 W max max max 7,8 R R R P I mA U = = max min max 2,05 R R U R K I = = W , chọn R= 2, 2KW
2 Tính toán thiết kế tương tự cho các mạch chỉnh lưu còn lại CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vào ra mạch chỉnh lưu bán kỳ 1 pha không