Đồ án Ứng dụng điện tử công suất và bộ điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU GVHD : Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG SVThực Hiện :NGUYỄN MẠNH LA MSSinh viên : 97202438 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 02-2001 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc @&? ˜µ™ KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : NGUYỄN MẠNH LA Lớp : 97 N ĐKC Chuyên ngành : Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện Tên đề tài : ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Số liệu ban đầu Nội dung các phần thuyết minh toán Giới thiệu về linh kiện điện tử công suất Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ điện Giới thiệu PLC và ứng dụng trong điều khiển động cơ điện một chiều. Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể về điều khiển động cơ điện một chiều Các bản vẽ Ngày giao nhiệm vụ : 8 –1 – 2001 Ngày hoàn thành : 3 – 03 – 2001 Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn Ngày……tháng……năm 2001 Chủ nhiệm bộ môn LỜI CẢM TẠ Em xin chân thành cám ơn thầy NGUYỄN TRỌNG THẮNG đã tận tình hướng dẫn em và đóng góp ý kiến quan trọng giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em xin cám ơn các thầy các cô trong khoa đã hết lòng chỉ bảo để trang bị cho em những kiến thức kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường và cũng xinh cảm ơn các bạn sinh viên đã giúp đỡ tôi trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực hiện NGUYỄN MẠNH LA MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I : DẪN NHẬP Đặt vấn đề 1 Giới hạn đề tài 1 Mục đích nghiên cứu 2 Thể thức nghiên cứu 3 CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUẬN GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT DIODE công suất 5 TRANSISTOR công suất 8 THYRISTOR 16 TRIAC 22 OP – AMP 26 CHƯƠNG III : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 31 Khái quát chung 31 Chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện 32 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện trở mạch phần ứng 35 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch động lực 36 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh kích từ của động cơ 37 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỆN MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 39 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng hệ thống chỉnh lưu bán dẫn 39 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ băm xung áp dùng thyristor 46 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi van từ- động cơ 52 Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng mạch chỉnh lưu cần 3 pha hỗn hợp không đối xứng 54 CHƯƠNG IV : GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 57 Cấu trúc phần cứng của CPU 57 Cấu trúc bộ nhớ 59 Cấu trúc chương trình 61 Phương pháp lập trình 62 Cú pháp lệnh cơ bản trong S7-200 63 So sánh với các hệ thống điều khiển khác 73 ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 74 Ứng dụng PLC khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở phụ và quay thuận, quay nghịch 74 Ứng dụng PLC trong điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều 78 Ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống 82 CHƯƠNG V : TÌM HIỂU MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Mạch điều khiển động cơ quay thuận quay nghịch 87 Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển góc kích SCR 88 Mạch điều khiển tốc độ và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều 89 CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC MỤC LỤC BẢNG BẢNG III –1 : CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA LỆNH LD VÀ LDN CHO LAD, STL BẢNG III –2 : MÔ TẢ LỆNH OUTPUT BẰNG LAD VÀ STL BẢNG III – 3 : LỆNH GHI XÓA GIÁ TRỊ TIẾP ĐIỂM TRONG LAD, STL BẢNG III – 4 : CÁC LỆNH LOGIC ĐẠI SỐ BOOLEAN BẢNG III – 5 : CÚ PHÁP GỌI LỆNH STACK LOGIC TRONG STL BẢNG III – 6 : CÁC LOẠI TIMER BẢNG III –7 : CÚ PHÁP KHAI BÁO SỬ DỤNG TIMER BẢNG III –8 : LỆNH KHAI BÁO SỬ DỤNG BỘ ĐẾM TRONG LAD BẢNG III –9 : LỆNH DỊCH CHUYỂN Ô NHỚ TRONG LAD, STL BẢNG III –10 : SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC BẢNG IV – 1 : CÁC THÔNG SỐ CỦA DIODE CÔNG SUẤT BẢNG IV – 2 : CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA TRANSISTOR CÔNG SUẤT BẢNG IV – 3 : CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THYRISTOR BẢNG IV – 4 : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ LOẠI TRIAC BẢNG IV – 5 : TOÁN HẠNG VÀ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CPU 214 BẢNG IV – 6 : CÁC LỆNH SO SÁNH BẢNG IV – 7 : TẠO KHOẢNG THỜI GIAN TRỄ 300MS BẰNG BA LOẠI TIMER KHÁC NHAU LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa các xí nghiệp công nghiệp vấn đề ứng dụng các linh kiện điện tử công suất và ứng dụng bộ lập trình điều khiển PLC vào trong điều khiển công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện là một vấn đề rất cần thiết đối với các máy công nghiệp như máy xúc, máy nâng vận chuyển, máy dệt… Hiện nay kỹ thuật điện tủ ngày càng phát triển nên việc điều chỉnh động cơ điện và ổn định tốc độ động cơ ngày càng dễ dàng và chất lượng điều chỉnh của hệ thống ngày càng cao. Đồ án tốt nghiệp này chủ yếu tập trung vào các vấn đề. Tìm hiểu và giới thiệu các linh kiện điện tử công suất. Một số ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ điện một chiều Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC , ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển động cơ điện một chiều trong thực tế Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2001 Sinh viên thực hiện NGUYỄN MẠNH LA Chương I : DẪN NHẬP ĐẶT VẤN ĐỀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỂ THỨC NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ I/ ĐẶT VẤN ĐỀ : Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nước chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất được đưa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc phục vụ đời sống sinh hoạt 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 đổi điện ngày càng gọn nhẹ, độ tác động cao, dễ dàng 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 đưa tự động hóa vào sản xuất Em xin giới thiệu đề tài. “Ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện một chiều”. II/ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ : Đề tài ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện một chiều là một đề tài rộng muốn tìm hiểu sâu rộng các linh kiện bán dẫn, các phương pháp ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài được giới hạn như sau : Giới thiệu linh kiện bán dẫn (điện tử công suất) Ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ một chiều Giới thiệu PLC và ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể III/ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU : Với chủ trương của Đảng đề ra để nâng cao đời sống là “công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước” cùng với việc mở cửa đất nước nhiều xí nghiệp đã đưa vào dây chuyền sản xuất với máy móc hiện đại nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ. Trong đó sử dụng nhiều điện tử công suất, muốn tiếp cận và sử dụng thành thạo các phương tiện kỹ thuật hiện đại, mỗi cán bộ kỹ thuật cần có hiểu biết cơ bản về kỹ thuật điện tử nói chung, điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC nói riêng. Đề tài nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về một số linh kiện điện tử và một số ứng dụng thực tế của điện tử công suất và ứng dụng điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ điện một chiều. IV/ THỂ THỨC NGHIÊN CỨU : Để việc nghiên cứu có hiệu quả cao, có tính khoa học. Đồ án được chia làm 3 giai đoạn trong thời gian 8 tuần như sau : Giai đoạn 1 : 1 tuần - Tìm hiểu đề tài và soạn đề cương Giai đoạn 2 : 3 tuần - Thu thập tài liệu dữ kiện Giai đoạn 3 : 4 tuần - Viết đồ án Chương 2 : CƠ SỞ LÝ LUẬN GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT. DIODE CÔNG SUẤT TRANSISTOR CÔNG SUẤT THYRISTOR TRIAC OP AMP A/ DIOD CÔNG SUẤT: Cấu tạo Diode Diode công suất hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo lớp chuyển tiết P-N Các điện tự do trong bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ trống tự do của chất bán dẫn P. Do đó lớp N sẽ mang điện tích dương được nối với điện cực catot (K) còn lớp P mang điện tích âm được nối với điện cực anot (A) lớp chuyển tiếp P – N có hàng rào điện thế vào khoảng 0,6¸ 0,7v khi có dòng điện định mức. Khi ta đặt một điện áp ngược lại các điện tử tự do và lỗ trống sẽ bị đẩy ra xa lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vài mA chạy qua chuyển tiếp P-N coi như không đáng kể như vậy Diode có tính dẫn dòng điện theo một chiều Diode công suất được cấu tạo như hình 1-1 a) Hình 1-1 Cấu trúc bên trong của Diode Ký hiệu của Diode Hình dạng bên ngoài của Diode Đặc tính của diode Khi Diode được đặt một điện áp VAk = const Trường hợp này UAK ngược chiều với UTX (điện áp tiếp xúc). Do đó hàng rào điện thế giảm xuống hoặc mất đi điều đó làm dòng điện khuyếch tán (IKT) tăng lên mà dòng điện ngược (Ing) vẫn bằng dòng điện bão hòa (Is). dòng điện đi qua mối nối P- N sẽ phụ thuộc vào điện áp UAK Theo công thức : IS : Dòng điện bão hòa T: Nhiệt độ tuyệt đối T=2730K + nhiệt độ Diode 0C UAK : điện áp ngoài đặt vào Diode trong trường hợp này I và UAK là dòng điện và điện áp thuận Diode trong trường hợp này gọi là Diode phân cực thuận Hình 1-2 : Đặc tính của Diode Khi Diode được đặt một điện áp UAK<0 Trường hợp này điện áp VAK cùng chiều với điện áp Utx hàng rào điện thế tăng lên, hàng rào này đẩy các hạt mang điện đa số ra xa mặt tiếp xúc điều này tạo ra một lớp cách điện đối với hạt mang điện đa số và cản trở hoàn toàn dòng điện khuyếch tán Ta có đặc tính như hình 1-3 Hình 1-3 Từ hai đặc tính trên ta tổng hợp lại ta có đặc tính Volt – Ampe của Diode như hình 2-3 Điện áp đánh thủng Dòng rò VD Điện áp rơi Hình 1-4 Theo hình 1-4. Nếu đặt vào P (anot) một điện áp dương so với (N) catốt sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên điện áp khoảng 0,6v khi dòng điện định mức + Khi phân cực thuận thì dòng điện qua Diode theo công thức ta có : q = 1.6 10-19 T= nhiệt độ tuyệt đối (0K) K= hằng số boltz man k=1,38 , k= 1,38 10-23 J/ 0K + Khi phân cực ngược ID » Is (Is : dòng điện bão hòa nghịch) Nếu đặt điện áp ngược các điện trở tự do và các lỗ trống bị đẩy xa lớp chuyển tiếp kết quả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua khi tăng tiếp tục điện áp ngược các điện tích gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng. Kết quả Diode mất tính dẫn điện theo một chiều khi điện áp ngược vượt quá. 3. Các thông số cơ bản của diode Dòng điện định mức : dòng điện cực đại cho phép đi qua diode trong một thời gian dài khi diode mở (ID) Điện áp ngược cực đại : Ungmax là điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào Diode trong một thời gian dài khi Diode khóa. Điện áp rơi định mức Du là điện áp rơi trên Diode khi Diode mở và dòng qua Diode bằng dòng thuận định mức Thời gian phục hồi tính khóa tk là thời gian cần thiết để Diode chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khóa. 4. Các ứng dụng của diode công suất 4.1. Dùng cho bộ chuyển mạch cho thiết bị chỉnh lưu Hình 1-5 Chỉnh lưu hai nữa chu kỳ cho 1 pha V1 = Vm Sinwt V2 = -Vm Sinwt Mạch chỉnh lưu 3 pha V1 = Vm Sinwt V2 = Vm (Sinwt - 2p/3) V3 = Vm (Sinwt - 4p/3) Hình 1 –6 Mạch nhân đôi điện áp Hình 1-7 Mạch chỉnh lưu cầu Hình 1-8 4.2: Dùng bảo vệ transistor Hình 1 - 9 B. TRAN SISTOR CÔNG SUẤT : Cấu tạo : Transistor là từ ghép của hai từ tranfer và resistor Transistor là linh kiện bán dẫn có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghép với nhau như hình P N B P Hình 2-1 C E a: Cấu trúc loại PNP b. Ký hiệu loại PNP E C N P B N a: Cấu trúc loại NPN b. Ký hiệu loại NPN Hình 2-2 Lớp giữa được gọi là cực gốc (base) ký hiệu là B một lớp bên gọi là cực phát (emitter) ký hiệu là E Còn lớp khác gọi là lớp góp (collector) ký hiệu là C lớp phát (E) có cường độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc (B) có nồng độ tạp chất bé nhất. Để phân biệt với các loại transistor PNP và NPN còn được gọi là Transistor lưỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Transistor). Nguyên lý hoạt động : Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại NPN. Transistor công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở. Để Transistor làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của Transistor gọi là phân cực cho Transistor IB=IBbh 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO 3 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO IC 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax Icbh N IB=IB0 Dc 2 M 1 Ib=0 Ecc UCEbh UCEO UCE Ta xét sơ đồ mạch như hình 2-3 N P N b a Hình 2 - 3 Trong sơ đồ trên ta có thể xem dòng điện gốc IB là dòng điều khiển, dòng điện cực góp Ic là dòng động lực Transistor có hai miền tiếp giáp Miền tiếp giáp giữa emitter và miền Bazo gọi là tiếp giáp emitor ký hiệu JE – collector và bazơ ® Jc Khi điện áp uBE>0 và uEC>0 lớp ghép JE được phân cực thuận tiếp giáp Jc được phân cực ngược. Do đó các điện tử tự do dễ dàng chuyển dịch qua JE từ E sang B đến mặt tiếp giáp Jc đến dãy điện tử gia tốc bởi điện trường ngược ECB và dễ dàng đi qua Jc đến C. Dòng điện tử này tạo nên dòng điện cực góp Ic. Một số ít điện tử tự do từ E sang B tái hợp với các lỗ trong vùng B để cân bằng điện tích, lớp B phải lấy các lỗ mới từ nguồn EB bằng số điện tử tái hợp. Như vậy ta gọi dòng điện tạo ra bởi các điện tử tự do đi từ E sang B là dòng điện phát IE thì ta có: IE = IC + IB Trong đó IB<<Ic và tỷ số b=IC/ IB được gọi là hệ số khuyếch đại dòng điện tĩnh của transistor thường B có giá trị vài trục đến vài trăm sự chuyển dịch của các hạt mang điện đa số trên đây còn tồn tại dòng chuyển dịch của các hạt thiểu số từ lớp C qua B đến E. dòng chuyển dịch này tạo nên dòng điện ngược ICE0 từ đó ta có IC = bIB + ICEO Đặc tính Volt – Ampe của Transistor là ta xét đến quan hệ của điện áp UCE và dòng điện khi IB không đổi. Từ hình 2 –3 b ta thấy đặc tính Volt – Ampe của transistor qua 3 đường cong 1); 2); 3). Đường biểu diễn quan hệ UCE và IC là đường thẳng Dc trên đồ thị (hình 2-3b). Các điểm cắt của Dc với các đường cong (1) ; (2) ; (3) chính là điểm làm việc của Transistor. Khi dòng điện IB càng tăng thì điểm làm việc càng gần đến điểm uốn Khi IB tăng đến giá trị nào đó thì điểm làm việc trùng với điểm uốn và Ic không tăng lên nữa ta nói Ic đạt đến giá trị bão hòa Icbh Điểm cắt M của đường cong 1) và đường Dc tương ứng với IC = 0 được gọi là điểm khóa còn điểm N tương ứng với IB = IBbh được gọi là điểm mở bão hòa Khi transistor làm việc ở điểm M Thì IB = 0 Ic 0 Transistor khóa Khi Transistor làm việc ở điểm N IB = IBbh transistor bão hòa Trong thời gian chuyển mạch Transistor ở chế độ xung ở hai trạng thái ngắt và dẫn dòng điện và điện áp tức thời phải nằm trong diện tích an toàn theo thang đo logarit như hình vẽ: 100 200 50 50 10 VCE IC(A) 100ms 10ms 1ms 100mS 10mS Hình 2 - 4 Vì thời gian chuyển mạch của Transistor từ 1¸ 2 mS thời gian chuyển mạch của Transistor nhanh hơn thời gian chuyển mạch của Thyristor. Vấn đề điều khiển transistor nặng nề hơn thyristor. Khả năng quá tải của Transistor kém hơn Thyristor : ưu điểm nổi bật của transistor là chỉ cần điều khiển dòng IB là có thể điều khiển cho transistor có thể ngắt dẫn dễ dàng Tổn hao công suất của transistor bằng tích của điện áp cực góp và cực phát với dòng điện cực góp Pts= VCE. IC Cách thức điều khiển transistor Gọi IC là dòng collector chịu được điện áp bão hòa VCESat khi transistor dẫn dòng bão hòa IB = IBbh và khi khóa IB = 0 VCEsat = VCE Mạch trở giúp transistor mở Khi transistor từ trạng thái đóng sang trạng thái mở mạch trợ giúp gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R2), Diod (D2) VCC VC t i1 t iD I tf b VCE a I t Hình 2 -5 tf : là thời gian cần thiết để IC từ giá trị max giảm xuống 0 Dòng điện tải là I mà thời gian chuyển mạch của Transistor rất ngắn vậy cho nên dòng tải = const VCE = VCESat = 0 IC = I ID = 0 Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc (base) của transistor dòng IC giảm xuống đến 0 trong khoảng thời gian tf. Vậy cho nên I = IC + ID = const Khi giảm Ic thì ID tăng lên ngang D1 sẽ làm ngắn mạch tải năng lượng tiêu tán bên trong Transistor sẽ là. Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho Transistor I= IC ID = const Khi IC bắt đầu giảm xuống thì I1 cũng bắt đầu tăng (IC và I1 phi tuyến tính với nhau lúc này tụ điện C được nạp điện) Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE << VCC Sau thời gian tf tụ C được nạp bằng dòng I Cho đến khi Vc = VCE lúc này D1 nó cho dòng chạy qua thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng thái mở là tc (tc). Điện dung được tính gần đúng bằng công thức Trong thực tế người ta chọn C trong khoảng 2tf £ tc £ 5tf Mạch trợ giúp đóng transistor Khi transistor từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng cửa transistor gồm các phần tử cuộn cảm (L), diode (D3), điện trở (R3) có chức năng hạn chế sự tăng vọt của dòng IC trong khoảng thời gian đóng (Ton) của transistor. Ton : là thời gian cần thiết để VCE từ điện áp nguồn VCC giảm xuống VCE »0 Sơ đồ như hình 2 – 6 Hình 2 -6 Thời gian tổng cộng cho quá trình đóng là tr Điện cảm (L) được tính theo biểu thức Để chọn L ta chọn thời gian đóng tr trong khoảng 2ton < tr < 5ton Điện trở R3 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L1; D3; R3 trong khoảng thời gian tc chuyển sang trạng thái mở của transistor. Như vậy tc phải thỏa mãn điều kiện Điện trở R2 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch trong khoảng thời gian đóng tr Ta có : D5 : tạo mạch đối với xung áp dương đặt vào cực gốc base D6 : hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (base) D4 : là chống bão hòa Ứng dụng của transistor công suất Mạch khuyếch đại Hình 2-7 Trong thực tế transistor công suất thường được làm việc ở chế độ khóa Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực góp bằng không transistor lúc này hở mạch hoàn toàn Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hòa thì transistor trở về trạng thái dẫn hoàn toàn hai trạng thái ngắt và dẫn của transistor được minh họa qua hình 2- 8 Trạng thái dẫn bão hòa Is lớn, Ic phụ thuộc tải Trạng thái ngắt Is=0 Ic Vce a b Hình 2 - 8 Các thông số kỹ thuật cơ bản của transistor Độ khuyếch đại dòng điện b transistor có b có trị số thay đổi theo dòng Ic Hình 2-9 cho thấy khi dòng Ic nhỏ thì b thấp dòng Ic tăng thì b tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng Ic đến mức bão hòa thì b bị giảm b bmax Ic Hình 2 -9 Điện thế giới hạn Điện thế đáng thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngược tối đa vào giữa các cặp cực Dòng điện giới hạn Dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị số thị transistor bị hư ICmax : là dòng điện tối đa ở cực collector. () IBmax : là dòng điện đối đa ở cực base (gốc) Công suất giới hạn Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor Công suất sinh ra được tính theo công thức Pt = Ic – VCE Tần số cắt Tần số thiết đoạn (f cut-off) là tần số mà transistor hết khả năng khuyếch đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng với điện thế ngõ vào C- THYRISTOR Cấu tạo Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện được điều khiển bằng chất silicium G J3 J2 J1 Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm 4 lớp P – N – P – N ghép nối tiếp tạo nên ba cực anode ký hiệu A dương cực. Catode ký hiệu K âm cực và cực gate ký hiệu G là cực khiển hay cửa J1, J2, J3 là các mặt ghép A p N p N K a Hình 3 - 1 Sơ đồ cấu trúc bên trong Ký hiệu Các loại thyristor Nguyên lý làm việc Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp Thyristor phân cực ngược J2 J3 E A p N p N K J1 Ec Điện áp ngược Ucd ia IG=0 E E A B C D Dòng áp ngược Hình 3 -2 Trong trường hợp này cực dương của nguồn E nối với catốt, cực âm của nguồn E nối với anot thyristor phân cực ngược. Do đó nối tiếp giáp J2 chịu toàn bộ điện áp nguồn E đặt vào J2 điện trường ngược Ec. Điện trường ngược này ngăn cản sự chuyển dịch J2 của các hạt mang điện đa số (lỗ trống) nên dòng điện đi qua anốt rất bé chỉ vài mA Mặc dù điện trường ngược EC này gia tốc cho các hạt mang điện thiểu số (điện tử) đi qua J2. Do đó nguồn E tăng đến trị số ucđ nào đó khoảng từ 100-3000v, tùy loại thyristor. Khi nào nguồn E tăng quá trị số ucđ trên đường đặc tính của thyristor thì các nguyên tử trong lớp ghép J2 bị phá vỡ lớp ghép J1 và J3 cũng bị phá vỡ lúc này dòng điện ngược tăng lên một cách nhảy vọt điều đó làm hỏng thyristor ta có dạng đặc tính vôn ampe của thyristor Asene I = f(E) Thyristor phân cực thuận p J2 J3 E A P2 N2 P1 N1 K J1 Ec UGK Ia Hình 3 - 3 Trong trường hợp này dưới tác dụng Ec mặt ghép J1, J3 được phân cực thuận điện trường Ec này ngăn cản sự chuyển dời của lỗ trống khi chưa có điện áp uGK thì nồng độ các điện tử tự do trong lớp P2 rất bé. Khio có UGK > 0 thì vì UGK là điện áp thuận đối với J3 vì nồng độ điện tử tự do rất lớn ở lớp catot N3 cho nên số lượng lớn điện tử chuyển dịch từ N2 sang P2 Khi UGK và IG càng lớn thì số điện tự do đi qua J2 càng nhiều hàng rào điện thế trên J2 càng giảm và điện áp E cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở mặt ghép J2 càng bé. Khi Ia lớn hơn trị số IL nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện tượng dẫn điện ào ạt lan rộng ra khắp mặt J2). Thì nếu tắt dòng điện điều khiển IG hoặc điện áp uGK thyristor vẫn tiếp tục mở trị số IL được gọi là dòng điện anot khởi động Thông thường IL = 10-3Iđm Trong đó Iđm : là dòng điện định mức của thyristor Thyristor chỉ khóa lại khi Ia nhỏ hơn trị số IH IH : là dòng điện duy trị hoặc UGK < 0 Vì khi Ia giảm xuống thì số điện tử tự do qua mặt ghép J2 giảm điều đó làm phần dẫn điện của mặt ghép J2 bị co lại phần không còn dẫn điện sẽ phục hồi tính khóa khi Ia< IH toàn bộ mặt ghép J2 được phục hồi tính khóa và thyristor khóa lại Trong thực tế IH rất bé do đó có thể xem thyristor bị khóa lại khi I =0 Từ những lý luận trên đây ta có đặc tính Volt-Ampe Ia = f E, IG ¹ 0 E Uct Ia IG1 Uct I2 Ia E Hình 3 - 4 Hình 2- 2. Đặc tính volt ampe của thyristor ở trạng tháng mở Þ từ hai trạng thái phân cực thuận phân cực ngược của thyristor ta có Mở bằng điện áp thuận Trạng thái dẫn Trạng thái khởi động Trạng thái khóa Dòng điện duy trì IH E=u ia Hình 3 - 5 Hình 3 - 5 mở thyristor bằng điện áp thuận Mở bằng dòng điện điều khiển IG Khi 0< E £ Ucd Tại số Ia có UGK cần thiết để mở thyristor phụ thuộc vào E, nhiệt độ thyristor và loại thyristor Trạng thái dẫn Ig3>Ig2>Ig1 Trạng thái bị khóa Ig=0 IH U Hình 3-7 Hình 3 - 6 Hình 3 - 6 Mở thyristor bằng dòng điện điều khiển Công suất chuyển mạch của thyristor - Công suất chuyển mạch (Pc)và năng lượng chuyển mạch (Wc) là công suất và năng lượng tiêu tan trong thyristor trong quá trình chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở. Khi xem gần đúng E và Ia biến thiên một cách đường thẳng theo thời gian (xem hình 3-7) với độ dốc a=1/tr Tr : thời gian tăng dòng cực anốt và chọn t1 làm thời điểm gốc thì trong khoảng thời gian t1 ¸ t2 Ta có : E = u0(1-at) Ia_= Ia max .a.t Công suất chuyển mạch tức thời là Pc = E.Ia = u0Iamax(at – a2t2) Công suất này sẽ đạt tại số cực đại khi Và t = 1/ 2a năng lượng chuyển mạch Khi thay trong biến thức này a=1/tr ta được : Nếu thyristor có tần số đóng mở là f thì trong môt giây thyristor có f lần chuyển mạch tiêu phí một năng lượng chuyển mạch Ứng dụng của thyristor Ứng dụng thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Sơ đồ mạch như hình 3-8 Hình 3 - 8 M: là động cơ chạy điện một chiều Dòng điện qua động cơ chỉ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dòng điện IG khi SCR chưa dẫn thì không có dòng điện qua động cơ diode dẫn dẫn điện nạp vào tụ qua điện điện trở R1 vàbiến trở VR điện thế cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân thế R2, R3 Giả sử điện thế đủ để kích cho cực G là VG = 1v và dòng điện kích IGm=1mA thì điện thế trên tụ phải 10v tụ nạp điện Qua R và VR với hằng số thời gian là t = C(R1 + VR) Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp cho tụ tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ động cơ bị thay đổi Khi nguồn AC có bán kỳ âm thì