Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất potx

Luận văn tốt nghiệp


Đề tài: " 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 lợng 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 lợng điện thâm nhập vào quá
trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con ngời cũng khác nhau. Nhng
một điều rõ ràng là xã hội càng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng
càng lớn và nó càng đợc ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên năng lợng 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 lới 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 ngời 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 lới 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 thờng
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 ngời ta sử
dụng các thiết bị bảo vệ nh: cầu chảy, áptômát, rơle nhng trong nhiều
trờng hợp chúng ta cha đạt đợc nhu cầu cần thiết của bảo vệ. Chẳng hạn để

bảo vệ động cơ khi bị qua tải ngời ta thờng dùng các loại rơle nhiệt, song
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


2
trong nhiều trờng 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 nớc
chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất đợc đa vào trong các
mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vợt 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 đa 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 nớc 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 nớc ngoài và
cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện nớc ta.
Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu hớng thị trờng, ngành thiết bị
điện cũng đợc 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, cha đợc
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


3
hoàn thiện. Rất mong đợc 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 phơng pháp
nghiên cứu ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian. Vì thời gian làm đồ án có
hạn nên đề tài đợc giới hạn nh sau.
Chơng1: Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn và một số mạch logic cơ
bản
Chơng 2: Giới thiệu về mạch điện xoay chiều và động cơ ba pha
Chơng 3: ảnh hởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba
pha
Chơng 4: Một số phơng pháp bảo vệ động cơ ba pha
4 Phơng 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 đợc 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.



Chơng 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 đợc 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 vợt một ngỡng U
n
cỡ 0,1ữ
0,5 V và cha lớn lắm thì đặc tính có dạng parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn
hơn thì đặc tính gần nh đờng thẳng (đoạn 2).
Điện trở thuận của điôt ở 1 điểm nào đó trên đặc tính thờng nhỏ và có
thể tính theo:

1
th
I
tg
RU


==

(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 ngợc ứng với phân áp ngợc (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc
đầu , điện áp ngợc tăng thì dòng điện ngợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng
nhng chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngợc
U
> 0,1V thì dòng điện ngợc có trị
số nhỏ vài mA và gần nh giữa nguyên. Sau đó điện áp ngợc đủ lớn
U >
U
ngmax
thì dòng điện ngợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5)
thì điôt bị đánh thủng. Lúc này, dòng điện ngợc 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 ngợc 0,8 U
ngmax
thì dòng điện
rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh ở trạng thái khóa.
Vùng khuỷnh là vùng điện trở ngợc của điôt đang từ trị số rất lớn
chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngợc 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
D
V
KT
Ds
q
IIe

=



(1- 2)
Ta có: q= 1,6.10
-19
C
T: Nhiệt độ tuyệt đối (
0
K)
K: Hằng số boltzman, k=1,38 hoặc K=1,38.10

-23
j/
0
K.
+ Các thông số cơ bản của điôt.
- Dòng điện định mức l dòng cực đại cho phép đi qua điôt trong thời
gian điôt mở (I
D
).
-Điện áp ngợc cực đại U
Ngmax
là điện áp ngợc cực đại cho phép đặt
vào điôt trong một thời gian dài khi điôt khoá.
- Điện áp rơi định mức u là điện áp rơi trên điôt khi điôt mở và dòng
qua điôt bằng dòng thuận định mức.
- Thời gian phục hồi tính khoá T
k
là thời gian cần thiết để điôt chuyển
từ trạng thái mở sang trạng thái khoá.
+ Các ứng dụng của điôt
- Chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ
V
1
= V
m
Sint
V
2
= -V
m

Sint


Hình1.3: Mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ
- Mạch chỉnh lu 3 pha một nửa chu kỳ
V
1
= V
m
Sint
V
2
= V
m
(Sint - 2/3)
V
3
= V
m
(Sint - 4/3)

Hình 1.4: Mạch chỉnh lu ba pha một nửa chu kỳ
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


7
- Chỉnh lu cầu
V2
V1

Hình 1.5: Chỉnh lu cầu
- Dùng bảo vệ tranzito

Hình 1.6: Mạch bảo vệ tranzito

Bảng 1.1: Điôt công suất
I
tb
U
im
U
Tốc độ quạt Tộc độ nớc
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
B-10
B- 25
B-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
B-200
B-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
80
ữ 300
200
ữ 1000
200
ữ 1000
50
ữ 200


1.1.2 Điôt ổn áp
Điôt ổn áp là một loại điôt bán dẫn có đặc tính ổn áp, đợc dùng sản
xuất chuyên dụng phục vụ các thiết bị ổn áp và mạch điện tử. Nó đợc phân

biệt với các loại điôt khác có ứng dụng chỉnh lu, 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 tợng 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 tơng đơng





Hình 1.7: Mạch điện tơng đơng và ký hiệu của điôt ổn áp
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


9
+ Nguyên lý đánh thủng: Hiện tợng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N
có thể do hai cơ chế sau đây:
- Hiện tợng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện trờng nghịch đặt
vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng lợng 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 tợng đánh thủng.
- Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện trờng nghịch đặt vào mạnh, thì
năng lợng 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 tợng 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 đợc dùng để tham khảo.
- Hệ số nhiệt độ là hệ số biểu thị sự ảnh hởng 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 tơng
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 đợc 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 I
đm
=(10 ữ20) mA.

+ Nguyên lý làm việc.
Tơng tự nh các loại điôt bán dẫn khác, chỉ có điều khác biệt là dới
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 đợc 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.
- Nhợc điểm: cần nguồn công suất phù hợp để có thể phát ra ánh sáng
đủ để có thể nhận biết bằng mắt thờng.
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 đợc 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
E
C
N
P
B
N
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


11
Lớp phát E có cờng 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 lỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito).
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động
Trong điện tử công suất ngời ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN.
tranzito công suất đợc dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cờng độ
tơng đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái
mở.
Để tranzito làm việc ngời ta phải đa 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 J
E

phân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua J
E
tạo nên

dòng emitơ (I
E
). Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch
tán sâu vào vùng bazơ hớng tới J
C
. Trên đờng khuếch tán một phần nhỏ bị
tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I
B
). Do cấu tạo
miền bazơ mỏng nên gần nh toàn bộ các hạt khuếch tán tới đợc bờ của J
C
và
bị trờng gia tốc (do J
C
phân cực ngợc) cuốn qua tới đợc miền colectơ tạo
nên dòng điện colectơ (I
C
). Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng
điện trong tranzito: I
E
= I
B
+ I
C
(1-3)
Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ngời ta
định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của tranzito.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46

12
=
C
E
I
I
(1- 4)
Hệ số xác định chất lợng của tranzito và có giá trị càng gần một với
các tranzito loại tốt.
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I
B
tới dòng colectơ (I
C
),
ngời ta định nghĩa về hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito.
=
C
B
I
I
(1- 5)
thờng có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm.
Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số:
I
E
= I
B
(1+) (1- 6)
và =
1

+
(1- 7)
u điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng I
B
là có thể điều
khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng.
1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito
Gọi I
C
là dòng colectơ chịu đợc điện áp bão hoà V
CEsat
khi tranzito dẫn
dòng bão hoà I
B
= I
Bbh
và khi khoá I
B
= 0; V
CEsat
=V
CE
.
+ 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 (R
2
), điôt(D

2
)








Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


13










Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở
t
f
: thời gian cần thiết để I
C
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: V
CE
= 0
I
C
= I I
D
= 0 (1- 8)
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng I
C

giảm xuống không trong khoảng thời gian t
f
. Nếu không có mạch trợ giúp ta
có: I = I
C
+ I
D
= const (1-9)
Khi giảm I
C
thì I
D
Tăng lên ngang D
1
sẽ làm ngắn mạch tải năng lợng
tiêu tán bên trong tranzito sẽ là:

2
f
T
UIt
W =
(1-10)
Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho trazito.
I= I
C
I
D
= const
Khi I
C
bắt đầu giảm thì I
1
cũng bắt đầu tăng(I
C
và I
1
phi tuyến với nhau,
lúc này tụ điện C đợc nạp điện)

Vc C
t
dII
dC

=

(1-11)
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


14
Khi t = t
f
; I
c
= 0 V
c
(t
f
)= V
0
= V
CE
<< V
CC


Vc
t
dI
dC
=
(1-12)
Sau thời gian t
f
tụ C đợc nạp bằng dòng I, cho đến khi V

c
= V
CE
lúc

này
D
1
cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng
thái mở là t
c
.
Điện dung đợc tính gần đúng bằng công thức:

1
CE
F
dv U
I
IC C
dt t
==



F
It
C
U
=

(1- 13)
Trong thực tế ngời ta chọn C trong khoảng. 2t
f
t
F
5t
f

+ 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(D
3
), điện trở (R
3
) có chức
L
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


15
năng hạn chế sự tăng vọt của dòng I
C
trong khoảng thời gian đóng T
on
của
tranzito.
T
on

: là thời gian cần thiết để V
CE
giảm từ điện áp nguồn V
CC
xuống V
CE
0.
Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là t
f
.
điện cảm L đợc tính theo công thức:

di i I UR
LUL L L
dt t R I

== = =

(1- 14)
Để chọn L ta chọn thời gian đóng t
r
trong khoảng: 2t
on
< t
r
< 5t
on
Điện trở R
4
có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong

cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D
5
; R
4
trong khoảng thời gian t
c
chuyển
sang trạng thái mở của tranzito.
Nh vậy t
c
phải thoả mãn điều kiện.


4
c
i
t
R
>
(1-15)
Điện trở R
5
có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong
mạch với khoảng thời gian đóng t
f
.
Ta có D
6
: Tạo mạch đối với xung áp dơng đặt vào cực gốc bazơ
D

5
: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ)
D
4
: 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 thờng đợc 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


có trị số thay đổi theo dòng I
C
. Khi dòng I
C

nhỏ thì thấp, dòng I
C

tăng thì
tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng I
C
đến mức bão hoà thì
giảm.

=
C
B
I
I
(1-16)
- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua tranzito phải đợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị
số thì tranzito sẽ bị h.
I
Cmax
: là dòng điện tối đa ở cực colectơ
I
Bmax
: là dòng điện tối đa ở cực bazơ
- Điện thế giới hạn
Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngợc 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

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


17
V
CE
V
CE0
V
CE,sat
I
C
I t
f
t
on
t
s
P
m
M· hiÖu
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 CÊu t¹o
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


18
Thyristor còn đợc gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện
đợc 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 dơng cực, Catode ký hiệu là K âm
cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa.
J
1
, J
2
, J
3
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 đợc phân áp ngợc hay phân áp thuận.
Khi phân áp ngợc (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dơng
nguồn) nh hình1.15 thì lớp phân cực J
2
phân cực thuận (điện trở rất nhỏ)
nhng các lớp tiếp xúc J
1
và J
3
lại phân cực ngợc (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 ngợc là nhánh thuộc góc phần t thứ III.
c
b
a
c
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


19
Khi điện áp ngợc tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (U
ct
) thì thyristor
bị chọc thủng giống nh trờng hợp của điôt và kết quả là dòng điện ngợc

tăng lên rất nhanh và mạnh.
Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dơng nguồn, catôt nối với cực âm
nguồn) nh hình 1.15 thì các lớp J
1
và J
3
đợc phân cực thuận, điện trở rất
nhỏ, nhng lớp J
2
lại bị phân cực ngợc, có điện trỏ rất lớn. Do vậy, trờng
hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J
2
(thuộc góc phần
t thứ I).

Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngợc 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 cha 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 dơng vào cực điều khiển G khi thyristor đợc phân áp thuận. Xung
dơng điều khiển có thể đợc 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 J
3

đợc phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn E
g

nên dòng điện qua lớp J
3
tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N
2

chuyển dịch sang P
2
với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng
điều khiển I
g
, phần khác lớn hơn, vợt qua lớp J
2
vào N
1
rồi qua P
1
về nguồn
tạo ra dòng I
a
. Khi các điện tử lớp J
2
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
trờng rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt. Điểm làm việc
chuyển từ T

1
sang T
2
rồi T hình 1.17. Thyristor ở trạng thái thông.
Trị số dòng điện I
a
phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình:
1.16 dòng I
a
phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn).
Khi thyristor thông điện trở trong R
13
của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục
hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp
U
13
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 I
a
qua lớp J
2
sẽ
tiếp tục làm điện trở lớp J
2
giảm thấp và duy trì sự dẫn điện. Qua lớp này từ N
1

sang P
2

.
Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor
mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT
1
trở thành OT
1
, OT
1
Thì cần phải
tăng dòng điều khiển lớn hơn I
đk1
> I
đk1
> I
đk1
. Khi dòng điều khiển tăng tới
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


21
giá trị cực đại cho phép I
đkmax
(thờng cỡ vài chục đến trên 100mA, tùy loại
thyristor) thì đoạn OT
1
, OT
1
, OT
1
trở thành OT

2
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
+ ứng dụng của thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
Sơ đồ

Hình 1.18: ứng dụng của thyristor trong điều khiển động cơ
DC: là động cơ điện một chiều
Dòng điện qua động cơ chỉ là dòng điện ở nửa chu kỳ dơng và đợc thay đổi
trị số bằng cách thay đổi mở kích của dòng điện I
G
khi thyistor cha dẫn thì
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


22
không có dòng điện qua động cơ. Điôt dẫn điện nạp vào tụ qua điện trở R
1
và
biến trở V
R
. Điện thế cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R
2
, R
3
.
Tụ nạp điện qua R

1
và V
R
với hằng số thời gian là = C(R
1
+ V
R
)
Khi thay đổi trị số V
R
sẽ làm thay đổi thời gian nạp cho tụ tức là làm
thay đổi thời điểm có dòng xung kích I
G
sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện
của Thyistor tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của
động cơ bị thay đổi.
Khi nguồn AC có nửa chu kỳ âm thì điôt D và thyristor đều bị phân cực
ngợc điôt ngng dẫn, thyristor cũng ngng dẫn.
Thyristor dùng với nguồn một chiều thì có thể báo động khi quá nhiệt,
quá áp suất, thì nút ấn M bị nhấn. Thyristor sẽ đợc kích dẫn điện và duy trì
trạng thái dẫn để cấp điện cho đèn và còi báo.
1.3.4 Các thông số chủ yếu của thyristor.
+ Trị số hiệu dụng định mức của dòng điện anôt I
ahd
đó là trị số hiệu dụng
của dòng điện cực đại cho phép đi qua thyristor trong một thời gian dài khi
thyristor mở.
Khi thyistor dẫn điện thì V
AK
= 0,7V nên dòng điện thuận qua thyistor có

thể tính theo công thức:

0, 7
cc
a
L
VV
I
R

=
(1-17)
R
L
: tải thuần trở
V
CC
: điện áp qua thyristor
+ Dòng điện điều khiển kích mở I
GT
là dòng điện điều khiển I
G
gây mở
thyristor
+ Điện áp ngợc cực đại U
ngmax
là điện áp giữa hai cực A và K cho phép đặt
thyristor .
+ Điện áp rơi định mức

u
a
là điện áp giữa hai cực A và K khi thyristor mở
và đồng thời dòng điện bằng dòng điện định mức.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


23
+ Thời gian phục hồi tính khoá là thời gian tối thiểu cần thiết để thyristor
phục hồi tính khoá.

Bảng 1.3 Thyristor do hãng Toshiba, Nhật Bản chế tạo

I U
i,m
t
off
Mã hiệu
A KV
s
SFOR1
SFOR3
SF1
SF2
SF2R5
SF3
SF5
SF10
SF16
SF100

SF300
SF1000
SF1500

SH2
SH16
SH80
SH150
SH400
0,1
0,3
1
2
2,5
3
5
10
16
100
300
1000
1500

2
16
80
150
400
0,1
ữ 0,4

0,1
ữ 0,6
0,1
ữ 0,4
0,1
ữ 0,6
0,1
ữ 0,4
0,1
ữ 0,6
0,1
ữ 0,4
0,1
ữ 1
0,1
ữ 1,2
0,4ữ 1,6
0,4ữ 1,6
2,5 ữ 4
2,5 ữ 4

0,1
ữ 0,4
0,1
ữ 0,5
0,2 ữ 1,6
0,2 ữ 1,6
0,2 ữ 1,3

15
10
15
ữ 30
15 ữ 30
15 ữ 80


1.4 triac
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


24
1.4.1 Cấu tạo
Triac là linh kiện bán dẫn tơng tự nh hai thyristor nối song song
ngợc gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển.

Hình 1.19: Triac
a, Cấu trúc bên trong
b, Hình vẽ cấu tạo
c, Ký hiệu

1.4.2 Nguyên lý làm việc
Theo cấu tạo của một triac đợc xem nh hai thyristor ghép song song
và ngợc chiều nên.
Khi khảo sát đặc tính của triac ngời ta khảo sát nh hai thyristor
+ Khi cực T
2
có điện thế dơng và cực G đợc kích xung dơng thì triac dẫn
điện theo chiều từ T
2
qua T
1
nh hình:1.20

+ Khi cực T
2
có điện thế âm cực G đợc kích xung âm thì triac dẫn
điện theo chiều T
1
đến T
2
nh hình: 1.21

c
b)