Báo cáo Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 1 Mở đầu 1 Đặt vấn đề Hiện nay điện năng đã và đang là nguồn năng l−ợng chính tạo đà cho sự phát triển của mọi, ngành mọi lĩnh vực đời sống, kinh tế, quốc phòng... của mỗi quốc gia. ở mỗi thời kỳ khác nhau năng l−ợng điện thâm nhập vào quá trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con ng−ời cũng khác nhau. Nh−ng một điều rõ ràng là xã hội càng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng càng lớn và nó càng đ−ợc ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên năng l−ợng điện chỉ mang tính −u việt khi các thông số của nó nh− dòng điện, điện áp, tần số... ổn định ở mức cho phép. Còn khi l−ới điện xảy ra sự cố nh− mất một pha, ngắn mạch, chế độ mất đối xứng về điện áp hoặc đảo thứ tự pha... nếu không có các biện pháp bảo vệ tin cậy thì sẽ gây tác hại rất xấu đến thiết bị điện và rất nguy hiểm cho ng−ời sử dụng. Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế ứng dụng các thiết bị bảo vệ là vấn đề rất quan trọng. Các thiết bị điện càng tinh vi càng hiện đại thì càng cần thiết phải bảo vệ. Yêu cầu của bảo vệ khi ấy phải rất tin cậy, chính xác và độ chắc chắn cao. Chế độ không đối xứng của l−ới điện ba pha gây qua tải, phát nóng và tăng tổn thất trong máy phát, động cơ không đồng bộ, máy biến áp.... làm cho thiết bị điện hoạt động không tin cậy hoặc bị hỏng. Chế độ mất đối xứng rất nguy hiểm mà động cơ không đồng bộ th−ờng gặp là mất pha hoặc thứ tự pha thay đổi. Khi đó động cơ bị quá tải, mômen quay giảm, nhiệt độ tăng cao làm cháy hỏng cách điện. Thiệt hại do động cơ bị hỏng hóc, làm gián đoạn quy trình công nghệ của nhà máy, xí nghiệp, gây ra các hậu quả nghiêm trọng. để bảo vệ động cơ điện và các thiết bị điện ba pha nói chung ng−ời ta sử dụng các thiết bị bảo vệ nh−: cầu chảy, áptômát, rơle..... nh−ng trong nhiều tr−ờng hợp chúng ta ch−a đạt đ−ợc nhu cầu cần thiết của bảo vệ. Chẳng hạn để bảo vệ động cơ khi bị qua tải ng−ời ta th−ờng dùng các loại rơle nhiệt, song Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 2 trong nhiều tr−ờng hợp rơle nhiệt không tác động, nhất là khi động cơ bị mất pha và đảo pha. Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu t− mạnh mẽ cho việc nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu mới của khoa học kỹ thuật trên cơ sở phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, điện tử công suất.... vào việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo vệ. Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất n−ớc chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất đ−ợc đ−a vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và v−ợt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc phục vụ đời sống hàng ngày. Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, điều này kéo theo sự phát triển và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor... các bộ biến đổi ngày càng hiện đại, gọn nhẹ, độ tác động nhanh, dễ ghép nối với các vi mạch điện tử. Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ để đ−a tự động hóa vào sản xuất em xin giới thiệu đề tài. “Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất.” ở n−ớc ta, nhiều năm gần đây một số đơn vị khoa học kỹ thuật đã đầu t− nghiên cứu chế tạo thiết bị bảo vệ chống mất pha và đảo pha đối với động cơ điện. Cơ sơ của việc nghiên cứu chế tạo dựa trên những t− liệu n−ớc ngoài và cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện n−ớc ta. Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu h−ớng thị tr−ờng, ngành thiết bị điện cũng đ−ợc đa dạng hoá. Các thiết bị bảo vệ cũng vì thế mà phong phú, nhiều chủng loại, chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Bên cạnh những −u việt về tính năng kỹ thuật, phạm vi sử dụng. Các thiết bị này còn bộc lộ nhiều trở ngại là giá thành cao. Đặc biệt là trong nông nghiệp, đối với các cơ sở kinh tế nhỏ, xí nghiệp xay sát, chế biến nông sản, các trạm bơm công suất nhỏ thì việc sử dụng các thiết bị bảo vệ đắt tiền cho động cơ là một bài toán nan giải. Do còn hạn chế về mặt trình độ và thời gian nghiên cứu, kinh nghiệm con nhiều non kém nên đề tài này chắc không thiếu những sai sót, ch−a đ−ợc Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 3 hoàn thiện. Rất mong đ−ợc sự góp ý, giúp đỡ của các thầy cô giáo, các cán bộ khoa học kỹ thuật và các bạn đồng nghiệp quan tâm đến đề tài này. 2 Mục đích đề tài - Tìm hiểu về các linh kiện bán dẫn và các phần tử logic. - Nghiên cứu về động cơ ba pha và sự mất cân bằng pha. - ứng dụng các linh kiện bán dẫn và phần tử logic vào việc nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ động cơ. 3 nội dung đề tài Đề tài ứng dụng điện tử công suất trong Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất là một đề tài rộng. Các ph−ơng pháp nghiên cứu ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian. Vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài đ−ợc giới hạn nh− sau. Ch−ơng1: Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn và một số mạch logic cơ bản Ch−ơng 2: Giới thiệu về mạch điện xoay chiều và động cơ ba pha Ch−ơng 3: ảnh h−ởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha Ch−ơng 4: Một số ph−ơng pháp bảo vệ động cơ ba pha 4 Ph−ơng pháp nghiên cứu - Thiết kế, tính toán mạch điện trên lý thuyết. - Tổ hợp các tín hiệu phát hiện mất pha và đảo pha trên chính các pha của nguồn, từ hai pha liên tiếp nhau để đảm bảo đúng thứ tự các pha. Việc tổ hợp các tín hiệu này đ−ợc thực hiện trên các mạch logic của Nhật: 4011, 4049, 4081. - Tiến hành lắp ráp khảo nghiệm trong thực tế để hiệu chỉnh lại mạch. Ch−ơng I Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 4 một số linh kiện bán dẫn và các mạch logic cơ bản 1.1 Điôt 1.1.1 Điôt công suất + Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Điôt đ−ợc hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo thành lớp chuyển tiếp P- N. Điôt bán dẫn có cấu tạo nh− hình 1.1 Hình 1.1: Điôt bán dẫn a- Cấu trúc bên trong của điôt b- Ký hiệu của điôt c- Hình dạng bên ngoài của điôt Đặc tính V- A của điôt biểu diễn quan hệ U= f(I) giữa dòng điện qua điôt và điện thế đặt vào 2 cực điôt. Đặc tính V- A tĩnh của điôt có 2 nhánh. Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận (sơ đồ nối mạch ở góc I) thì dòng điện tăng theo điện áp. Khi điện áp đặt vào điôt v−ợt một ng−ỡng Un cỡ 0,1ữ 0,5 V và ch−a lớn lắm thì đặc tính có dạng parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần nh− đ−ờng thẳng (đoạn 2). Điện trở thuận của điôt ở 1 điểm nào đó trên đặc tính th−ờng nhỏ và có thể tính theo: 1 th I tg R U αΔ= =Δ (1-1) c) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 5 Đó chính là giá trị nghịch đảo đạo hàm dI dU của đặc tính của tại điểm tính điện trở. Nhánh ng−ợc ứng với phân áp ng−ợc (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc đầu , điện áp ng−ợc tăng thì dòng điện ng−ợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nh−ng chậm (đoạn 3). Tới điện áp ng−ợc U > 0,1V thì dòng điện ng−ợc có trị số nhỏ vài mA và gần nh− giữa nguyên. Sau đó điện áp ng−ợc đủ lớn U > Ungmax thì dòng điện ng−ợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điôt bị đánh thủng. Lúc này, dòng điện ng−ợc tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp lúc này là điện áp chọc thủng. Điôt bị phá hỏng. Để đảm bảo an toàn cho điôt, ta nên cho điôt làm việc với điện áp ng−ợc – 0,8 Ungmax thì dòng điện rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh− ở trạng thái khóa. Vùng khuỷnh là vùng điện trở ng−ợc của điôt đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ng−ợc từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn. Hình 1.2: Đặc tính V-A của điôt Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 6 Khi phân cực thuận thì dòng điện qua điôt theo công thức: . 1 DV KT D s q I I e ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ (1- 2) Ta có: q= 1,6.10-19 C T: Nhiệt độ tuyệt đối (0K) K: Hằng số boltzman, k=1,38 hoặc K=1,38.10-23j/0K. + Các thông số cơ bản của điôt. - Dòng điện định mức là dòng cực đại cho phép đi qua điôt trong thời gian điôt mở (ID). -Điện áp ng−ợc cực đại UNgmax là điện áp ng−ợc cực đại cho phép đặt vào điôt trong một thời gian dài khi điôt khoá. - Điện áp rơi định mức Δu là điện áp rơi trên điôt khi điôt mở và dòng qua điôt bằng dòng thuận định mức. - Thời gian phục hồi tính khoá Tk là thời gian cần thiết để điôt chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. + Các ứng dụng của điôt - Chỉnh l−u một pha hai nửa chu kỳ V1 = Vm Sinωt V2 = -Vm Sinωt Hình1.3: Mạch chỉnh l−u một pha hai nửa chu kỳ - Mạch chỉnh l−u 3 pha một nửa chu kỳ V1 = Vm Sinωt V2 = Vm (Sinωt - 2π/3) V3 = Vm (Sinωt - 4π/3) Hình 1.4: Mạch chỉnh l−u ba pha một nửa chu kỳ Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 7 - Chỉnh l−u cầu V2 V1 Hình 1.5: Chỉnh l−u cầu - Dùng bảo vệ tranzito Hình 1.6: Mạch bảo vệ tranzito Bảng 1.1: Điôt công suất Itb Uim ΔU Tốc độ quạt Tộc độ n−ớc Mã hiệu A V V m/s l/ph Liên Xô (cũ) chế tạo B- 10 B-20 B-25 B-50 B-200 BK2b-350 BΠ-10 BΠ- 25 BΠ-50 10 20 25 50 200 350 10 25 50 100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 100ữ 1000 300ữ 1000 300ữ 1000 300ữ 1000 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,8 0,6 0,6 0,6 3 6 12 3 6 4 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 8 BΠ-200 BΠ-1000 200 1000 300ữ 1000 1000 0,7 0,8 12 4 Hãng Thomson chế tạo ESM- 61 BYX- 61 BYT 30 BYT 60 BYW 80 10 12 30 60 80 200ữ 800 80ữ 300 200ữ 1000 200ữ 1000 50ữ 200 1.1.2 Điôt ổn áp Điôt ổn áp là một loại điôt bán dẫn có đặc tính ổn áp, đ−ợc dùng sản xuất chuyên dụng phục vụ các thiết bị ổn áp và mạch điện tử. Nó đ−ợc phân biệt với các loại điôt khác có ứng dụng chỉnh l−u, tách sóng..... + Tác dụng ổn áp. Để thấy rõ tác dụng ổn áp của điôt ta hãy xét phần nghịch của đặc tuyến V- A của điôt ổn áp. Khi điện áp nghịch đạt đến một giá trị nhất định, thì dòng điện nghịch tăng lên một cách đột biến, sau đó ứng với phạm vi biến thiên rất lớn của dòng điện nghịch là phạm vi biến thiên rất nhỏ của điện áp nghịch. Đó là hiện t−ợng đánh thủng điện. Điều kiện để sử dụng đặc tính ổn áp nói trên là trong mạch điện điôt ổn áp phải có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho sự đánh thủng không dẫn đến sự đánh thủng nhiệt làm hỏng bóng ổn áp. + Mạch điện t−ơng đ−ơng Hình 1.7: Mạch điện t−ơng đ−ơng và ký hiệu của điôt ổn áp Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 9 + Nguyên lý đánh thủng: Hiện t−ợng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N có thể do hai cơ chế sau đây: - Hiện t−ợng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện tr−ờng nghịch đặt vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng l−ợng để tách khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do, tạo ra cặp điện tử- lỗ trống. Vì lúc này số hạt dẫn tăng đột biến nên xảy ra hiện t−ợng đánh thủng. - Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện tr−ờng nghịch đặt vào mạnh, thì năng l−ợng của các hạt dẫn tăng lên lớn hơn, có thể xảy ra va chạm làm bứt các điện tử lớp ngoài của nguyên tử. Phản ứng dây chuyền này xảy ra làm cho số hạt dẫn tăng lên đột biến nên xảy ra hiện t−ợng đánh thủng. + Các tham số của điôt ổn áp - Điện áp ổn áp là giá trị điện áp ổn áp trên hai cực của điôt ổn áp khi nó làm việc trong mạch điện ổn áp. Giá trị này có thể thay đổi nhỏ, phụ thuộc vào dòng điện công tác nhiệt độ. - Dòng điện công tác là giá trị dòng điện nằm giữa đoạn đặc tuyến làm việc của điôt zener đ−ợc dùng để tham khảo. - Hệ số nhiệt độ là hệ số biểu thị sự ảnh h−ởng của biến đổi nhiệt độ đối với giá trị điện áp ổn áp. - Điện trở động là tỷ số giữa số gia điện áp và số gia dòng điện t−ơng ứng. Điện trở động thay đổi theo dòng địên công tác, dòng địên công tác càng lớn thì điện trở động càng nhỏ. - Công suất tiêu hao cho phép là tham số xác định nhiệt độ tăng cao cho phép. Nếu biết điện áp ổn áp thì tính đ−ợc dòng điện công tác cực đại cho phép bằng tỷ số giữa công suất tiêu hao cho phép với giá trị điện áp ổn áp. 1.1.3 điôt phát quang (Đèn LED) + Linh kiện hiển thị bán dẫn - Một số vật liệu bán dẫn đặc biệt nh− hợp chất GaAsP, khi làm thành lớp chuyển tiếp P- N, nếu có điện áp thuận đặt vào, thì có bức xạ quang, tức là biến điện năng thành quang năng. Sử dụng các chuyển tiếp P- N bức xạ quang có thể chế tạo các linh kiện nh− điôt phát quang (đèn LED). Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 10 - Đặc điểm: Quang phổ phát xạ của hiển thị bán dẫn phù hợp với cảm thụ thị giác, điện áp công tác thấp (1,5 – 5)V, thể tích nhỏ, tuổi thọ cao (hơn 1000 giờ làm việc), dòng định mức Iđm=(10 ữ20) mA. + Nguyên lý làm việc. T−ơng tự nh− các loại điôt bán dẫn khác, chỉ có điều khác biệt là d−ới tác dụng của dòng điện thì vật liệu chế tạo điôt quang sẽ phát sáng. Do đặc điểm này nên vỏ của điôt quang phải trong suốt để có thể nhận biết đ−ợc mầu sắc của ánh sáng chất phát quang tạo ra khi có dòng điện tác dụng vào. + Đặc điểm - −u điểm: hiển thị phù hợp với thị giác, ổn định và tin cậy, tâm hiển thị khá lớn, tuổi thọ cao. - Nh−ợc điểm: cần nguồn công suất phù hợp để có thể phát ra ánh sáng đủ để có thể nhận biết bằng mắt th−ờng. 1.2 Tranzito công suất 1.2.1 Cấu tạo Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghép với nhau nh− hình sau. a) b) Hình 1.8: Tranzito loại PNP a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu a) b) Hình 1.9: Tranzito loại NPN a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu Lớp giữa đ−ợc gọi là cực gốc (Bazơ) ký hiệu là B, một lớp bên gọi là cực phát (Emiter) ký hiệu là E, lớp còn lại là lớp ghóp (Colectơ) ký hiệu là C. P N B P EC N P B N Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 11 Lớp phát E có c−ờng độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc B có nồng độ tạp chất nhỏ nhất. Để phân biệt với các loại tranzito khác, tranzito PNP và NPN còn gọi là tranzito l−ỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito). 1.2.1 Nguyên tắc hoạt động Trong điện tử công suất ng−ời ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN. tranzito công suất đ−ợc dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều c−ờng độ t−ơng đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở. Để tranzito làm việc ng−ời ta phải đ−a điện áp một chiều tới các cực B của tranzito gọi là phân cực cho tranzito. a) b) Hình 1.10: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ. Do JE phân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE tạo nên dòng emitơ (IE). Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ h−ớng tới JC. Trên đ−ờng khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (IB). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần nh− toàn bộ các hạt khuếch tán tới đ−ợc bờ của JC và bị tr−ờng gia tốc (do JC phân cực ng−ợc) cuốn qua tới đ−ợc miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC). Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng điện trong tranzito: IE= IB + IC (1-3) Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ng−ời ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của tranzito. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 12 α= C E I I (1- 4) Hệ số α xác định chất l−ợng của tranzito và có giá trị càng gần một với các tranzito loại tốt. Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện IB tới dòng colectơ (IC), ng−ời ta định nghĩa về hệ số khuếch đại dòng điện β của tranzito. β= C B I I (1- 5) β th−ờng có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số: IE= IB(1+β) (1- 6) và α = 1 β β+ (1- 7) −u điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng IB là có thể điều khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng. 1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito Gọi IC là dòng colectơ chịu đ−ợc điện áp bão hoà VCEsat khi tranzito dẫn dòng bão hoà IB= IBbh và khi khoá IB= 0; VCEsat=VCE. + Mạch trợ giúp tranzito mở Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở. Mạch trợ giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R2), điôt(D2) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 13 Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở tf: thời gian cần thiết để IC từ giá trị max giảm xuống 0 Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho nên dòng tải = const. Sơ kiện: VCE = 0 IC = I ID = 0 (1- 8) Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng IC giảm xuống không trong khoảng thời gian tf. Nếu không có mạch trợ giúp ta có: I = IC + ID = const (1-9) Khi giảm IC thì ID Tăng lên ngang D1 sẽ làm ngắn mạch tải năng l−ợng tiêu tán bên trong tranzito sẽ là: . . 2 f T U I t W = (1-10) Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho trazito. I= IC ≈ ID = const Khi IC bắt đầu giảm thì I1 cũng bắt đầu tăng(IC và I1 phi tuyến với nhau, lúc này tụ điện C đ−ợc nạp điện) Vc C t d I I d C −= (1-11) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 14 Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE << VCC Vc t d I d C = (1-12) Sau thời gian tf tụ C đ−ợc nạp bằng dòng I, cho đến khi Vc = VCE lúc này D1 cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng thái mở là tc. Điện dung đ−ợc tính gần đúng bằng công thức: 1 CE F dv UI I C C dt t = = ≈ ⇒ FItC U = (1- 13) Trong thực tế ng−ời ta chọn C trong khoảng. 2tf ≤ tF ≤ 5tf + Mạch trợ giúp đóng tranzito Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D3), điện trở (R3) có chức L Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 15 năng hạn chế sự tăng vọt của dòng IC trong khoảng thời gian đóng Ton của tranzito. Ton: là thời gian cần thiết để VCE giảm từ điện áp nguồn VCC xuống VCE≈ 0. Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là tf. điện cảm L đ−ợc tính theo công thức: di i I URL U L L L dt t R I Δ= = = ⇒ =Δ (1- 14) Để chọn L ta chọn thời gian đóng tr trong khoảng: 2ton < tr < 5ton Điện trở R4 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D5; R4 trong khoảng thời gian tc chuyển sang trạng thái mở của tranzito. Nh− vậy tc phải thoả mãn điều kiện. 4 c it R > (1-15) Điện trở R5 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch với khoảng thời gian đóng tf. Ta có D6: Tạo mạch đối với xung áp d−ơng đặt vào cực gốc bazơ D5: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ) D4: Dùng để chống bão hoà 1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất + Mạch khuếch đại Hình: 1.13: Tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại - Trong thực tế tranzito th−ờng đ−ợc làm việc ở chế độ khoá - Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực ghóp bằng không, Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 16 tranzito lúc này hở mạch hoàn toàn. - Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hoà thì tranzito trở về trạng thái dẫn hoàn toàn. 1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito - Độ khuếch đại dòng điện β β có trị số thay đổi theo dòng IC. Khi dòng IC nhỏ thì β thấp, dòng IC tăng thì β tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng IC đến mức bão hoà thì β giảm. β= C B I I (1-16) - Dòng điện giới hạn Dòng điện qua tranzito phải đ−ợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị số thì tranzito sẽ bị h−. ICmax : là dòng điện tối đa ở cực colectơ IBmax: là dòng điện tối đa ở cực bazơ - Điện thế giới hạn Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ng−ợc tối đa đặt vào giữa các cặp cực. - Tần số cắt Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào. Bảng 1.2 Giới thiệu một số loại tranzito Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 17 VCE VCE0 VCE,sat IC I tf ton ts Pm Mã hiệu V V V A A μs μs μs W BUV, (BUX)20 21 22 23 24 BUT 90 91 BUX 47 47A 48 48A 98 98C ESM 3000 3001 3002 3004 3005 3006 3007 160 250 300 400 450 200 300 850 1000 850 850 850 1200 200 200 250 600 600 1000 1000 125 200 250 325 400 125 200 400 450 400 400 400 700 100 150 200 400 500 600 700 1,2 1,5 1,5 1 1 1,2 1,2 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 50 40 40 30 20 50 50 9 9 15 15 30 30 150 150 140 120 120 50 50 5 3 2,5 3,2 2,4 7 4 1,2 1 2 2 4 3 15 15 28 13 10 7 6 0,3 0,12 0,5 1,2 1,4 0,4 0,3 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,5 0,5 0,7 1 1 1,5 1,5 1,5 1,8 1,3 1,3 1,6 1,2 1 1 1 1 1 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,2 1,2 2 2,5 3 1,5 1,5 3 3 3 3 3 3 1,8 1,8 2 3,5 3,5 5 5 250 (50) 50 50 50 50 250 250 125 125 175 175 250 250 400 400 400 400 400 300 300 1.3 Thyristor 1.3.1 Cấu tạo Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 18 Thyristor còn đ−ợc gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện đ−ợc điều khiển bằng chất silicum. Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A d−ơng cực, Catode ký hiệu là K âm cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa. J1, J2, J3 là các mặt ghép. Hình 1.14: Thyristor a- Sơ đồ cấu trúc bên trong b- Ký hiệu c- Các loại thyristor 1.3.2 Nguyên lý làm việc Tùy theo cách nối của A và K của thyristor với nguồn điện một chiều mà thyristor có thể đ−ợc phân áp ng−ợc hay phân áp thuận. Khi phân áp ng−ợc (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực d−ơng nguồn) nh− hình1.15 thì lớp phân cực J2 phân cực thuận (điện trở rất nhỏ) nh−ng các lớp tiếp xúc J1 và J3 lại phân cực ng−ợc (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ K sang A. Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chảy qua và không sáng. Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ vài mA. Đặc tính V- A khi phân áp ng−ợc là nhánh thuộc góc phần t− thứ III. c b a c Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 19 Khi điện áp ng−ợc tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (Uct) thì thyristor bị chọc thủng giống nh− tr−ờng hợp của điôt và kết quả là dòng điện ng−ợc tăng lên rất nhanh và mạnh. Khi phân áp thuận (anôt nối với cực d−ơng nguồn, catôt nối với cực âm nguồn) nh− hình 1.15 thì các lớp J1 và J3 đ−ợc phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nh−ng lớp J2 lại bị phân cực ng−ợc, có điện trỏ rất lớn. Do vậy, tr−ờng hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J2 (thuộc góc phần t− thứ I). Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ng−ợc và thuận của một thyristor Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận, còn thyristor có phân áp thuận cũng ch−a dẫn điện. Muốn cho thyristor thông khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện. Điều kiện gì? Đó là phải cấp một xung áp d−ơng vào cực điều khiển G khi thyristor đ−ợc phân áp thuận. Xung d−ơng điều khiển có thể đ−ợc tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở Hình 1.16 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 20 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor Khi đó, lớp tiếp xúc J3 đ−ợc phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn Eg nên dòng điện qua lớp J3 tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N2 chuyển dịch sang P2 với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng điều khiển Ig, phần khác lớn hơn, v−ợt qua lớp J2 vào N1 rồi qua P1 về nguồn tạo ra dòng Ia. Khi các điện tử lớp J2 với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác. Số điện tử mới lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung hòa khác.... cứ nh− thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số các phần tử dẫn điện tăng vọt, điện trở trong cùng điện tr−ờng rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt. Điểm làm việc chuyển từ T1 sang T2 rồi T hình 1.17. Thyristor ở trạng thái thông. Trị số dòng điện Ia phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình: 1.16 dòng Ia phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn). Khi thyristor thông điện trở trong R13 của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp ΔU13 không đáng kể (không quá 1V). Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông. Nguyên do vì dòng Ia qua lớp J2 sẽ tiếp tục làm điện trở lớp J2 giảm thấp và duy trì sự dẫn điện. Qua lớp này từ N1 sang P2. Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT1 trở thành OT’1, OT”1.... Thì cần phải tăng dòng điều khiển lớn hơn I”đk1 > I’đk1> Iđk1. Khi dòng điều khiển tăng tới Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 21 giá trị cực đại cho phép Iđkmax (th−ờng cỡ vài chục đến trên 100mA, tùy loại thyristor) thì đoạn OT1, OT’1, OT”1...... trở thành OT2 nghĩa là đặc tính V- A của thyristor sẽ nh− đặc tính V- A của điôt. Hình 1.17: Đặc tính V- A của thyristor 1.3.3 ứng dụng của thyristor + ứ