4.2.1. Phương pháp điều khiển toàn pha
a) Khái quát chung
Phương pháp điều khiển toàn pha thực chất là điều khiển ON-OFF, có nghĩa là các linh kiện công suất phải được điều khiển hoạt động giống như một khóa đóng ngắt (switch). Các khóa đóng ngắt (SCR, triac) có hai trạng thái:
- ON: Khóa đóng ngắt được cấp nguồn kích mở qua cực cổng, có giá trị đủ lớn liên tục, khóa ở trạng thái đóng mạch (trạng thái dẫn), điện áp trên tải bằng điện áp nguồn (bỏ qua sụt áp không đáng kể trên linh kiện khi dẫn thuận).
- OFF: Khóa đóng ngắt không có dòng qua cực cổng nên chuyển từ trạng thái dẫn sang khóa khi điện áp nguồn qua điểm zero. Trên tải không có điện áp qua.
Đặc điểm của phương pháp điều khiển ON-OFF là có thể điều khiển dòng năng lượng cung cấp nhưng không thể thay đổi được điện áp cung cấp cho tải. Do đó trong các ứng dụng đòi hỏi thay đổi điện áp phải áp dụng phương pháp điều khiển pha sẽ được đề cập ở mục sau.
Trong phương pháp này nhiệm vụ chủ yếu của nguồn kích là phải đảm bảo đủ điện áp kích hay dòng kích tùy thuộc từng loại linh kiện công suất.
Để xây dựng mạch tạo xung kích mở theo phương pháp điều khiển toàn pha cho các khóa bán dẫn có thể các sơ đồ như trên hình 4.1. Trong đó biến trở là nguồn kích đơn giản nhất (hình 4.1a), tuy nhiên đây là nguồn có tổng trở ra biến đổi theo điện áp. Để kích SCR hay triac thì cần nguồn kích có tín hiệu ra ổn định và tổng trở nhỏ, vì vậy ta cần sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán với sơ đồ phản hồi âm như hình 4.1.b.
Sơ đồ với phản hồi âm 100% giữa lối ra (chân E của T1) với lối vào âm của bộ khuếch đại thuật toán IC1 (IC họ 741) cho phép truyền điện áp từ biến
trở VR tới lối ra của sơ đồ. Khi chỉnh biến trở VR, điện áp ra cũng thay đổi tương ứng theo. Trở kháng lối ra của sơ đồ là trở kháng của tầng khuếch đại Dralington trên T1 khá nhỏ.
a) b)
Hình 4.1. Sơ đồ mạch kích điều khiển toàn pha
a- Mạch kích dùng biến trở; b- Mạch kích sử dụng KĐTT b) Linh kiện sử dụng
- Linh kiện công suất: Sử dụng các SCR giống bài 2;
- Linh kiện điện tử ứng dụng (dùng cho mạch điều khiển): Dùng các loại điện trở, biến trở có công suất 1/2W hoặc 1/4W, tụ điện xoay chiều (tụ gốm) có giá trị tương ứng như trên hình; BJT loại TIP122, optotransistor loại PC817, IC khuếch đại thuật toán họ 741.
c) Phần thực hành
Nội dung 1: Sơ đồ điều khiển toàn pha có cách ly
Trên cơ sở sơ đồ mạch kích điều khiển toàn pha dùng biến trở (hình 4.1a), tiến hành ghép nối với phần cách ly quang (loại PC817) như hình 4.2.
Chú ý:
1- Điện trở R1 được lắp vào mạch nhằm mục đích hạn chế dòng điện qua diode phát quang của OP-TO. R1 chọn sao cho khi biến trở VR ở trị số cao nhất thì điện áp đặt trên diode phát quang không vượt quá 3V.
2- Điện trở R2 chọn sao cho điện áp trên hai đầu OUT2 và OUT3 có giá trị đủ lớn bảo đảm đưa tới cực cổng của SCR (tra cứu trong datasheet của SCR dùng trong mạch để biết yêu cầu cụ thể về điện áp và dòng điện đưa tới cực điều khiển).
a) b)
Hình 4.2. Sơ đồ điều khiển toàn pha có cách ly
a- Sơ đồ mạch kích; b- Sơ đồ mạch công suất
- Tạo sơ đồ công suất điều khiển SCR như hình 4.2b. Đấu nối các ác ngõ ra của mạch kích với các chân của sơ đồ mạch công suất như sau:
+ OUT 1 nối với cực Anode của SCR. + OUT 2 nối với cực Gate của SCR.
+ OUT 3 nối với cực Kathode của SCR
- Cấp nguồn một chiều 12VDC và nối mass cho sơ đồ mạch kích. Tiến hành cấp nguồn 24VAC cho sơ đồ mạch công suất.
- Tiến hành điều chỉnh một cách từ từ biến trở VR sao cho tải đèn sáng. Ghi nhận lại giá trị điện áp ngõ ra tại thời điểm đó.
- Sử dụng dao động ký để xác định dạng sóng trên hai đầu tải và trên hai đầu ra của OP-TO. Quan sát hoạt động của tải, nhận xét kết quả và nguyên tắt điều khiển toàn pha. Vẽ dạng sóng tải và giải thích nguyên lý kích dẫn và kích ngắt đối với SCR trong sơ đồ.
Nội dung 2: Sơ đồ điều khiển toàn pha dùng một SCR không có cách ly
- Sử dụng sơ đồ mạch kích như hình 4.1b. Tiến hành đấu nối các ngõ ra của mạch kích với mạch công suất (hình 4.3b) như sau:
+Ngõ ra OUT của mạch kích nối với cực Gate của SCR + Ngõ GND nối với cực Kathode của SCR.
- Tiến hành cấp nguồn nguồn một chiều 12VDC và nối mass cho sơ đồ mạch kích DC. Cấp nguồn 24VAC cho sơ đồ mạch công suất.
GND. Chỉnh biến trở VR sao cho đèn (tải) vừa sáng. Ghi nhận lại giá trị điện áp ngõ ra tại thời điểm đó.
- Sử dụng dao động ký xác định dạng sóng trên hai đầu tải.
- Chỉnh biến trở VR để giảm điện áp ngõ ra OUT. Quan sát hoạt động của tải, điện áp ra OUT. Nhận xét kết quả và nguyên tắt điều khiển toàn pha. Vẽ lại dạng sóng trên tải.
R1 3K3 R3 3K3 R2 3K3 VR 10K TIP 122 R4 330 741 - + +V -V C 0.22 OUT T1 IC1 GND a) b)
Hình 4.3. Sơ đồ điều khiển toàn pha 1 SCR không cách ly
a- Sơ đồ mạch kích; b- Sơ đồ mạch công suất
- So sánh ưu, nhược điểm của hai sơ đồ mạch kích điều khiển toàn pha trên từ đó rút ra kết luận và tính ứng dụng.
4.2.2. Phương pháp điều khiển không đồng bộ
a) Khái quát chung
Phương pháp điều khiển không đồng bộ là phương pháp trong đó mạch kích các SCR hoặc triac công suất có chức năng cung cấp cho cực cổng các xung dòng điện có tần số khác với tần số của lưới điện xoay chiều đặt vào hai đầu của SCR hoặc triac (nên có tên gọi là không đồng bộ). Tín hiệu xung có nhiều dạng, tuy nhiên ở đây ta chỉ xét hai dạng xung cơ bản nhất thường dùng để kích SCR và triac là xung vuông (sử dụng IC555) và xung nhọn (sử dụng UJT như 2N1671).
b) Linh kiện sử dụng
- Linh kiện công suất: Dùng SCR, triac giống các bài thực hành trước. - Linh kiện điện tử ứng dụng: IC555, PC817, TIP122, 2N1671 hoặc UJT loại N, biến áp xung và các loại điện trở, tụ điện được ghi danh trên sơ đồ mạch.
IC 555 là một loại linh kiện khá phổ biến với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay các mạch dao động khác.
Các thông số cơ bản của IC555:
- Điện áp đầu vào: 218V;
- Dòng điện cung cấp: 6mA15mA - Điện áp logic ở mức cao: 0.515V - Điện áp logic ở mức thấp: 0.030.06V - Công suất lớn nhất là: 600mW
c) Phần thực hành
Nội dung 1: Sơ đồ mạch kích không đồng bộ bằng xung vuông Trình tự thực hiện được tiến hành theo các bước:
- Tiến hành lắp ráp mạch phát xung theo sơ đồ như hình 4.4a. Trong đó tần số phát xung của IC 555 phụ thuộc các thông số R, C lắp ráp trong mạch (trên các chân 2, 6,7, 4 của IC555).
a) b) c)
Hình 4.4. Mạch kích không đồng bộ bằng xung vuông
a- Sơ đồ mạch phát xung; b- Sơ đồ cách ly quang; c- Sơ đồ mạch công suất
- Lắp ráp sơ đồm mạch cách ly như hình 4.4b. Tiến hành ghép nối các sơ đồ theo thứ tự:
+ Đấu các ngõ ra của mạch 555 nối với ngõ vào của bộ liên kết quang OPTO (OUT nối với INPUT, GND nối với COM).
Các ngõ ra của bộ liên kết quang nối theo yêu cầu sau:
+ OUT 1 nối với cực Anode của SCR. + OUT 2 nối với cực Gate của SCR.
+ OUT 3 nối với cực Kathode của SCR.
- Cấp nguồn và đấu mass cho mạch dao động IC 555. Cấp nguồn xoay chiều 24VAC cho mạch công suất.
Khi lắp ráp mạch xong cần tiến hành một số nội dung sau:
- Điều chỉnh biến trở VR để thay đổi tần số ngõ ra của mạch dao động IC 555. Sử dụng dao động ký để quan sát sự thay đổi đó tại ngõ ra OUT của mạch IC 555. Vẽ dạng sóng ngõ ra OUT.
- Sử dụng dao động ký xác định dạng sóng trên hai đầu ra của mạch cách ly quang ( giữa OUT 2 và OUT 3). Vẽ dạng sóng tương ứng.
- Quan sát hoạt động của tải (bóng đèn). Sử dụng dao động ký xác định dạng sóng trên hai đầu tải. Vẽ dạng sóng tải và nhận xét kết quả, so sánh các dạng sóng và tìm hiểu nguyên tắt điều khiển không đồng bộ.
- Thay thế SCR bằng triac và thực hiện các bước như trên. Rút ra kết luận về sơ đồ mạch kích đối với hai loại linh kiện này.
Nội dung 2: Sơ đồ mạch kích không đồng bộ bằng xung nhọn
- Đối với sơ đồ tao xung nhọn ta sử dụng mạch dao động tích thoát (mạch tạo xung bằng UJT) có sử dụng biến trở để thay đổi tần số phát xung theo sơ đồ đấu nối như hình 4.5a (Học viên tự tính các giá trị điện trở tham chiếu trong sơ đồ hoặc sử dụng bo mạch được thiết kế sẵn).
a) b) c)
Hình 4.5. Sơ đồ kích không đồng độ bằng xung nhọn kích SCR
a- Sơ đồ mạch phát xung; b- Sơ đồ khuếch đại và cách ly tín hiệu điều khiển; c- Sơ đồ mạch công suất
- Lắp ráp mạch khuếch đại và cách ly tín hiệu theo sơ đồ hình 4.5b. - Đấu nối các khối sơ đồ với mạch công suất theo thứ tự như sau:
+ Ngõ ra OUT-PUT của mạch UJT nối với ngõ vào IN2 của bộ liên kết biến thế xung. IN1 của mạch liên kết biến thế xung nối với nguồn dương +12VDC.
+ Các ngõ ra của bộ liên kết biến thế xung nối theo yêu cầu sau: + A1 nối với cực Gate của SCR.
+ B1 nối với cực Katod của SCR.
- Cấp nguồn điện một chiều 12VDC và nối mass cho mạch tạo xung UJT. Lúc này mạch làm việc ở chế độ không đồng bộ.
- Cấp nguồn điện xoay chiều 24VAC cho sơ đồ mạch công suất. - Tiến trình thực hành theo các nội dung sau:
+ Chỉnh biến trở VR-P1 để thay đổi tần số ngõ ra của mạch tạo xung UJT. Sử dụng dao động ký để quan sát sự thay đổi đó tại ngõ ra OUT-PUT của mạch tạo xung UJT. Vẽ dạng sóng trên OUT-PUT.
+ Sử dụng dao động ký xác định dạng sóng trên hai đầu ra A1 và B1. Vẽ dạng sóng tương ứng.
+ Quan sát hoạt động của tải, sử dụng dao động ký xác định dạng sóng trên hai đầu tải. Vẽ dạng sóng trên tải.
- Thay thế SCR bằng triac và thực hiện các bước tương tự như trên. Nhận xét kết quả thực hành thu được và rút ra kết luận về nguyên tắc điều khiển không đồng bộ đối với hai loại linh kiện.
Nội dung 3:Sơ đồ mạch kích không đồng bộ bằng phương pháp PWM
- Đấu nối sơ đồ mạch điều khiển dựa vào sơ đồ nguyên lý như trên hình 4.6. Đây là dạng mạch kích thường được sử dụng trong các bộ nghịch lưu (Inverter) 1 pha, 3 pha.
Thứ tự thực hành gồm các nội dung:
- Cấp nguồn điện một chiều 12VDC và nối mass cho sơ đồ. Cấp tín hiệu xoay chiều 24VAC cho ngõ vào IN của mạch kích.
- Sử dụng dao động ký xác định dạng sóng tại các điểm đo ngõ vào, ngõ ra của IC, tại các điểm đo TP1, TP2, TP3. Vẽ lại dạng sóng và nhận xét nguyên tắt hoạt động của mạch.
OUT1 và OUT2 bằng cách sử dụng hai tia của dao động ký. Nhận xét dạng sóng của hai ngõ ra.
Hình 4.6. Sơ đồ mạch kích bằng phương pháp PWM
4.2.3. Phương pháp điều khiển đồng bộ
a) Khái quát chung
Phương pháp điều khiển đồng bộ còn gọi là phương pháp điều khiển pha, trong đó mạch kích các SCR hoặc triac công suất trong sơ đồ sẽ cung cấp cho cực cổng một dòng điện cùng tần số (đồng bộ) với lưới điện nhưng pha thay đổi được theo tín hiệu điều khiển. Thay đổi thời điểm cấp xung kích mở trên cực cổng sẽ thay đổi được điện áp ra trên tải.
Để tăng độ chính xác, dạng sóng này cần có độ dốc lớn tại thời điểm kích SCR. Do vậy xung phát ra thường là xung răng cưa hoặc xung chữ nhật.
Thực tế có nhiều dạng mạch khác nhau để xây dựng mạch kích theo phương pháp điều khiển đồng bộ. Trong bài thực hành này sẽ tiến hành khảo sát một số mạch thông dụng cùng với các yêu cầu của mạch kích đồng bộ và dạng sóng ra trên tải.
b) Linh kiện sử dụng
- Linh kiện công suất: Dùng SCR, triac giống các bài thực hành trước - Linh kiện điện tử ứng dụng: TCA780 (hoặc TCA785), biến áp xung, PC817, BJT loại N, và các linh kiện khác chi tiết trong từng sơ đồ mạch.
TCA 780 hoặc TCA785 là vi mạch phức hợp do hãng Siemens chế tạo thực hiện các chức năng tổng hợp của một bộ điều khiển SCR (triac) theo nguyên tắc đồng bộ thẳng đứng tuyến tính. Trong cấu trúc của vi mạch bao
gồm các khâu: Tạo tín hiệu đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo tín hiệu xung kích đầu ra. Các thông số chủ yếu của vi mạch như tổng hợp trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các thông số cơ bản của TCA 780 và TCA785
Thông số Ký hiệu TCA780 TCA785 Ghi chú
Điện áp nguồn nuôi, V VS 18 18
Dòng điện tiêu thụ, mA IS 10 10
Dòng điện đầu ra, mA I 50 400
Điện áp răng cưa, (V) V10MAX US-2 US - 2 Điện trở trong mạch tạo
điện áp răng cưa, k
R9 20 – 500 3 - 300 Chân 9
Điện áp điều khiển, (V) V11 -0,5 ÷ (Us-2) -0,5 ÷ Us Chân 11 Dòng điện đồng bộ, A I5 200 ± 200 Chân 5
Tụ điện, F C10 0,5 500pF-1F Chân 10
Tần số phát xung ra, Hz f 10 – 500 10 – 500 Sơ đồ chân của TCA785 và chức năng các chân như sau:
Chân Ký hiệu Chức năng
1 GND Nối mát
2 Q2 Ngõ ra 2 (đảo) 3 Q U Ngõ ra điện áp 4 Q2 Ngõ ra 1 (đảo)
5 VSYNC Ngõ vào đồng bộ nguồn
6 I Cấm khóa
7 Q Z Ngõ ra Z 8 VREF Áp chuẩn
9 R9 Điện trở chỉnh xung răng cưa 10 C10 Điện dung chỉnh xung răng cưa 11 V11 Điện áp điều khiển
12 C12 Điện dung chỉnh độ rộng xung 13 L Chọn xung rộng (ngõ vào) 14 Q1 Ngõ ra điều khiển 1
15 Q2 Ngõ ra điều khiển 2
16 VS Nguồn vào (dương nguồn) Sơ đồ khối của TCA như hình 4.7 bao gồm:
- Mạch khám phá zero lấy tín hiệu đồng bộ VSYNC (V5) từ lưới, tác động vào thanh ghi đồng bộ khi áp nguồn qua zero. Áp nguồn cung cấp điện VS qua
ổn áp tạo áp chuẩn VREF và nguồn dòng I (được điều khiển bởi R9) để nạp điện cho tụ C10. Tụ điện
C10 sẽ được xả ở mỗi đầu bán kỳ bằng linh kiện T68 thành lập áp đồng bộ răng cưa (Ramp voltage) V10. Điện áp này được so sánh với điện áp điều khiển V11 xác định pha kích các SCR. Khối logic bao gồm các mạch tạo bề rộng xung (từ C12), tín hiệu điều khiển cấm (Inhibit) và chọn xung hẹp/rộng (Long Fulse Commutation để tạo ra các xung ngõ ra theo các dạng ở hình 4.8. Các dạng sóng
được tạo ra từ TCA 785 như sau:
V5 - Điện áp đồng bộ lưới V10 - Điện áp đỉnh răng cưa V10 - Điện áp đồng bộ răng cưa V11 – Điện áp điều khiển
V10 – Trị số tối thiểu của điện áp răng cưa (bằng Vsat).
V15 - Ngõ ra Q2 kích SCR (xung hẹp) V14 - Ngõ ra Q1 kích SCR (xung hẹp) V15 - Khi chân 12 nối GND (xung rộng) V14 - Khi chân 13 nối GND (xung rộng)