Giáo trình phân tích tính ưu việt của vi mạch chuyển đổi trong kỹ thuật điều khiển và đo lường p8 potx

độ rộng thay đổi được. Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn
ổn, một đi thẳng đến mạch đơn ổn khác để hình thành hai xung kích. Xung đi ra từ hai mạch
đơn ổn được trộn với xung có tần số cao do bộ dao động đưa đến. Bộ dao động tần số cao có
chức năng tăng khả năng kích cho các xung kích, đảm bảo kích được các SCR. Sau đó, các
xung này được đưa ra bộ phận xuất xung điều khiển đi đến cực cổng của SCR.
3. sơ đồ mạch điện :

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 33



Hình III.18

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 34

4. Nguyên lý hoạt động của mạch :
Đầu tiên, bộ dao động tạo sóng tam giác do hai IC 741a và 741b đảm nhận. Bộ dao động
này tạo ra tần số chủ yếu cho bộ băm xung một chiều. Tần số sóng tam giác do R1, R2,
R3
và C1 quyết đònh. Sóng tam giác này được đưa đến ngõ vào đảo của 741c, còn ngõ vào
không đảo được nối ra chân giữa của biến trở VR. Xung vuông ở ngõ ra có thể thay đổi
được độ rộng xung khi thay đổi biến trở VR do thay đổi mức so sánh với sóng tam giác.
Xung vuông này được chia làm hai đường : đường thứ nhất đi qua một cổng đảo và đường
còn lại đi qua hai cổng đảo để sửa dạng xung rồi đi đến hai ngỏ kích của mạch đơn ổn để
tạo ra xung có độ rộng xung không thay đổi. Độ rộng xung của mạch đơn ổn có thể đặt

trước sao cho nó đủ để kích SCR. Mạch đơn ổn do hai IC AN555a và AN555b thực hiện.
Ngõ ra của chúng sẽ được trộn với mạch dao động tần số cao thực hiện bởi IC AN555c để
cho xung kích là một tập hợp của một chùm xung, làm tăng khả năng kích cho SCR. Các
xung này sẽ được đưa qua OPTO nhằm cách ly mạch tạo xung kích với ngyuồn điện thế
cao khi đưa vào cực cổng của SCR.

u
v
(ngỏ vào chân số 3)
+v

0 t
_ v
u
r
(ngỏ vào chân số 2)
+v

0 t
o
t
_ v

Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26B
Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26A
t

t

0

0

+V
+V

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 35

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
MẠCH
I. THIẾT KẾ MẠCH :
1. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm xung một chiều.
Để tính toán các giá trò cho mạch băm xung một chiều, trước hết ta cần có các số
liệu ban đầu như sau:
U
ng
= 300V.
R
tải
= 50.
I
tải
= 6A.
Thời gian dẫn nhỏ nhất có thể được của S1 là :
T
on
= 500s.
Thời gian khoá của SCR được chọn thiết kế là :
t
off
= 50s.
Khoảng điện áp điều chỉnh được từ 30V  300V.
Tỷ số chu kỳ nhỏ nhất là :
D
min
= 30/300 = 0.1

Chu kỳ của bộ băm là :
T = T
on
/D = 500/0.1 = 5000s.
Và tần số lớn nhất có thể được của bộ băm là :
f = 1/T = (1/5000).10
6
= 200Hz.
Dựa trên những thông số chọn ở trên, và để cho mạch hoạt động tốt thì các thông
số của mạch băm được tính toán như sau :
a. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp .
Như đã khảo sát ở chương III, ta có sơ đồ mạch băm xung một chiều tắt cưỡng bức
bằng điện áp như hình III.4 :
Đầu tiên để chọn tụ điện, ta nhận thấy rằng theo dạng sóng điện áp của u
s1
, thời
gian khoá của SCR S1 nằm ở giữa khoảng tăng theo hàm mũ từ –E đến +E. Với mạch dao
động L – C, tại thời điểm t = 0, bắt đầu khoá S1, ta có :
u
s1
= E + Ae
-t/T
Trong đó : T = RC là thời hằng nạp xả của tụ điện .
Với u
s1
= -E ở t = 0, do đó A = -2E. Từ đó suy ra :
u
s1
= E –2Ee
-t/T

Khi u
s1
= 0 thì t = thời gian khóa của S1 = 60s, do đó :
u
s1
= 300 – 2.(300)e
-(60.10-6)/T
= 0
Suy ra :
T = 87s
Trong mạch dao động R – C, ta lại có :
T = RC
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 36
Do đó, C = T/R = 87/50 = 1.73F.
Ta chọn C = 2.2F.
Theo nguyên lý hoạt động của mạch trên cho ta biết thời gian khoá của SCR S1
bằng một phần tư chu kỳ dao động của L – C, nên ta có :
Suy ra L = 0.66mH

Để tính dòng điện dao động lớn nhất trong mạch dao động L-C, ta cân bằng biểu
thức sau :
½CU
2
= ½LI
2

Và ta có được dòng I

Cmax
= 17.3A.
Để chọn SCR, ta nhận thấy rằng, dòng điện qua S
1
sẽ là :
I
S1max
= I
tải
+ I
Cmax
= 6 + 17.3 = 23.3A.
Như vậy, ta phải chọn SCR S
1
có khả năng chòu được dòng điện lớn hơn hoặc bằng
23.3A để nó có thể hoạt động tốt trong mạch. Đối với S
2
thì nó chỉ chòu dòng điện nạp và
xả qua tụ C nên có thể chọn với giá trò dòng điện thấp hơn.
Tính số vòng dây của cuộn dây L :
Theo công thức ta có:
l
SN
L
2
0


Trong đó : d
L : chiều dài cuộn dây. l

N : số vòng dây của cuộn dây.

0
: hệ số từ thẩm.
S : diện tích cuộn dây.
Từ công thức trên ta có:
S
lL
N
.
.
0



Ở đây chọn : d = 0.05m, l = 0.05m, 
0
= 4.10
-7

Thay số:

Sơ đồ mạch băm được thể hiện như sau :

.10.602
4
1
6
sLCt
off



vong
R
N 115
104
05.010660
27
6







E
S1
S2
Rt
L
C
XK2

XK1
50
2.2uF
0.66mH
D1
D2
+
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 37






b. thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện :
Sơ đồ mạch điện như hình III.8 đã khảo sát ở phần trước, với các giá trò cho ở trên,
ta tính các trò số của mạch băm như sau :
Trong thực tế, khi mạch được cấp điện với điện áp nguồn, tụ C sẽ được nạp qua điện
trở R đến một giá trò gần gần bằng điện áp nguồn. Thời gian chuyển mạch đủ nhỏ (so với
thời gian làm việc) nên dòng điện coi như không đổi trong giai đoạn này và có trò số bằng
Ic
max
.
Đối với điện trở R ta chọn sao cho trò số của nó vừa đủ lớn để dòng điện qua nó
không đáng kể so với dòng dao động của mạch LC. Đồng thời vừa đủ nhỏ để đáp ứng tụ C
kòp nạp gần bằng nguồn. Thông thường giá trò của R được là 100K.
Dòng điện dao động trong L - C có dạng hình Sin (hình IV.2), nên ta có :

t
L
C
Ut
L
C
UtIi
ngCCc
 sinsinsin
maxmaxmax













Để cho mạch băm hoạt động được một cách chắc chắn, ta cần có : I
cmax
= KI
tai

(K > 1). Thông thường K được chọn bằng 2 (K = 2).

Do đó:
max
2
t
I
L
C
U  (1)

Theo nguyên lý hoạt động của mạch (lý tưởng) thì thời gian tắt (t
off
) của S
c
là :
off
t
Nhưng trong thực tế thì thời gian này phải là : tt
off

Với t : là khoảng thời gian trể của SCR, chọn

t = 10

.
Để thời gian tắt có thể duy trì cho SCR phục hồi chức năng khóa khi chưa có xung
kích, ta cần :
)(
3
2
ttt

offkk



t
off

LCT


I
Cmax

I
tải

Hình IV.2
Dạng sóng của mạch dao động L – C.
Hình IV. 1
Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 38
Với
LC
t
1

Suy ra:

)2(
3
2
)(
1

 tt
LC
off


Giải hệ phương trình (1) và (2) ta có:
)(
3
)(
4
3
tt
U
I
C
tt
I
U
L
off
ng
t
off

t
ng





Thay số ta có:
FFC
mHHL

2.1)(10)1050(
14.3300
63
72.0)(10)1050(
614.34
3003
6
6











Vậy chọn : L = 0.72mH
C = 1F
Công thức tính số vòng dây của cuộn dây:
l
SN
L
2
0


Suy ra
S
lL
N



0


Nếu ta chọn quấn cuộn dây có chiều dài là 50cm và đường kính là 50cm thì số
vòng dây phải quấn là :

VongN 120
2
05.0
14.31014.34
05.010720
2
7

6













Về việc tính dòng điện để chọn SCR cho phù hợp, ta biết rằng S
1
chỉ chòu dòng điện
tải cho nên ta có thể chọn S
1
có mức chòu đựng điện áp lớn hơn dòng điện tải là được. Còn
đối với S
2
thì dòng điện qua nó được tính là lớn hơn dòng điện tải (thông thường là lớn hơn
hai lần). Cho nên SCR S
2
phải có mức chòu dòng lớn hơn hai lần dòng điện tải thì mạch
băm có thể hoạt động tốt.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 39
Hình IV.3
Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng
điện.

Mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện có các giá trò như hình vẽ sau :















2. Thiết kế và tính toán các giá trò cho mạch tạo xung kích :
Như ta đã biết, mạch tạo xung kích cho SCR trong mạch băm xung phải đáp ứng đầy
đủ các yêu cầu về tần số và thời điểm kích như đã đề cập đến trong chương III.
Để tính toán các giá trò cho mạch ở hình III.16 với tần số làm việc là 200Hz, trước

hết ta chọn nguồn cung cấp cho toàn mạch là 12V và việc tính toán được thực hiện như
sau :
a. Tìm trò số cho các linh kiện trong bộ phận tạo tần số cơ bản có độ rộng xung
thay đổi được.
Bộ phận này gồm IC 741A, IC 741B, IC 741C R1, R2, R3, R
4
, R
5
, C
1
và C
2
thực
hiện. Ở bộ dao động tạo sóng cơ bản đầu tiên, chu kỳ của nó được tính là :
Trong đó :
Ta chọn R
2
= 10k, R
3
= 2.2k.

Tần số là f = 200Hz nên ta có chu kỳ T = 5ms. Do đó :
R
1
C
1
= 3.6ms.
Khi ta chọn C
1
= 1F thì R

1
= 3.6k (lấy R
1
= 3.3k).
Sóng vuông do bộ phận trên tạo ra có biên độ đỉnh - đỉnh là 24V và tỉ số chu kỳ là : D
= 0.5 cho nên thời gian ở mức cao của xung là 2.5ms.
Để chuyển sóng vuông được tạo ra ở trên thành sóng tam giác, ta cần tính :






1
1
ln2
11
CRT
32
3
RR
R



ms
V
t
V
ra

6.9
5
.
2
24



XK2
XK1
E
Rt
C
L
D1
D2
R
50
1uF
100K
0.72mH
+
-
S1
S2
D3
18.0
2
.
2

10
2.2




THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 40
Vì mối quan hệ :
Nên ta có :
R
4
C
2
= 2.5ms.
Chọn C
2
= 0.47F thì R
4
= 5.3k (lấy R
4
= 4.7k)
Thông thường R
5
chọn bằng R
4
= 4.7k.
Sóng tam giác này là tín hiệu so sánh với điện áp một chiều đưa vào từ biến trở VR

để tạo ra sóng vuông có độ rộng xung thay đổi được. Muốn thay đổi độ rộng xung ta chỉ
việc thay đổi mức điện áp so sánh bằng cách chỉnh biến trở này. Giá trò của biến trở được
chọn là 5k.

b. Tính các giá trò cho bộ phận tạo xung đơn ổn :
Bộ phận này gồm hai mạch đơn ổn riêng biệt và hoàn toàn giống nhau nhằm cung
cấp xung kích cho hai SCR trong mạch băm xung một chiều. Chúng bao gồm IC AN555A,
IC AN555B, R
11
, R
12
, C
1
và C
2
thực hiện.
Độ rộng xung đơn ổn được chọn để thiết kế là 0.5ms. Độ rộng này là không đổi
trong khi thay đổi độ rộng xung ở ngõ vào. Độ rộng xung trong mạch đơn ổn dùng IC555
được tính là :
T = R
11
C
5
ln3 = R
12
C
6
ln3
Khi T = 0.5ms, ta có : R
11

C
5
= R
12
C
6
= 0.454ms.
Chọn C
5
= C
6
= 1F thì điện trở R
11
= R
12
= 454. Vậy giá trò các linh kiện phải
chọn là : C
5
= C
6
= 1F; R
11
= R
12
= 470.
c. Tính các giá trò cho mạch dao động tần số cao.
Mạch dao động tần số cao này nhằm mục đích trộn với xung đơn ổn để tăng khả
năng kích cho mạch tạo xung kích. Tần số thiết kế cho bộ phận này khoảng 10KHz. Với
tần số đó, ta tính các giá trò cho bộ phận này với các linh kiện IC AN555C, IC AN555D,
R

17
, R
18
, R
19
, R
20
, C
9
, C
10
, D
2
và D
3
.
Để xung ra có được tỉ số chu kỳ là D = 0.5 thì ta phải có R
17
= R
18
= R
19
= R
20
và
thêm diode D
2
mắc song song với R
18
, diode D

3
mắc song song với R
20
.
Tần số của bộ dao động này được tính là :
Từ đó ta có : R
17
C
9
= 0.072ms.
Chọn C
9
= C
10
= 0.1F thì R
17
= 0.72k.
Vậy các linh kiện cần phải chọn là :
C
9
= C
10
= 0.1F
R
17
= R
18
= R
19
= R

20
= 1k.
d. Thiết kế bộ phận đưa xung kích ra ngoài.
Sau khi có xung đơn ổn và xung dao động tần số cao, ta trộn chúng lại với nhau bằng
các cổng AND trong IC2. Kết quả sẽ cho ta một chuổi xung kích trong khoảng xung đơn
ổn ở mức cao. Các xung kích này sẽ được đưa đến các OPTO 4N26A và 4N26B để đưa
ms
V
CR
V
t
V
và
ra
6.9
24



917
4.1
1
CR
f 
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 41
xung ra ngoài kích cho SCR. Xung kích được đưa ra OPTO thông qua transistor Q
7

và Q
8
.
Các transistor này làm việc theo chế độ đóng ngắt nên các điện trở mắc nối tiếp với
OPTO được chọn thiết kế theo dòng bảo hòa của diode trong OPTO. Đối với OPTO 4N26
thì dòng bảo hòa là 5mA, cho nên các giá trò của điện trở R
28
và R
26
được chọn là :
R
26
= R
28
= U/I = 12/5.10
-3
= 2.4k.
Trong thực tế, ta chọn : R
26
= R
28
= 2.2k.
Việc dùng các OPTO này nhằm cách li điện thế cao từ mạch băm xung một chiều
với mạch tạo xung kích.
Sơ đồ mạch điện được thể hiện lại như sau (hình IV.4) :
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 33

Hình IV.4
Sơ đồ mạch tạo xung kích cho
SCR.