BÀI GIẢNG TRANG BỊ ĐIỆN ĐẦY ĐỦ

Chơng I
Các phần tử bán dẫn công suất
1.1 điốt công suất
Silic là nguyên tố hoá học thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là thành phần
cấu tạo chủ yếu trong một điốt công suất. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài của cấu
trúc nguyên tử, nếu thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài có 5 điện
tử thì 4 điện tử tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và làm xuất hiện
một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện và
vì điện tử có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (negative - âm).
Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp ngoài
thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ hổng này có thể nhận một điện
tử và tạo nên một điện tích dơng và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó đợc gọi là bán
dẫn loại p (positive dơng).
Nồng độ của các nguyên tố sung vào khoảng một phần 10
7
nguyên tử. Trong
bán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện đa số, còn lỗ hổng là thiểu số, với bán dẫn
loại p thì ngợc lại. Tuỳ theo nồng độ của các nguyên tố bổ sung vào mà tính dẫn
điện của chất bán dẫn loại n và loại p cao hơn hẳn tính dẫn điện của silic nguyên
chất.
Hình 1.1. Điốt
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
Điốt trình bầy trên hình 1.1 tạo nên một lớp chuyển tiếp pn. Các điện tử tự do
trong bán dẫn n sẽ liên kết với lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điện
tích dơng và phía p có điện tích âm. Lớp chuyển tiếp p - n có hàng rào điện thế vào
khoảng 0,6V, có chiều nh hình vẽ.
Hình 1.2 trình bày đặc tính vôn-ampe của một điốt. Nếu đặt vào p (anốt) một
điện áp dơng so với n (catốt) sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơi
khoảng 0,7V khi dòng điện định mức. Nếu điện áp ngợc lại, các điện tử tự do và các
lỗ hổng bị đẩy xa lớp chuyển tiếp , kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA
có thể chạy qua. Khi tăng tiếp tục điện áp ngợc , các điện tích đợc gia tốc, gây nên

va chạm gia chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng. Kết quả, điốt mất tính chất
dẫn điện theo một chiều khi điện áp vợt qua điện áp ngợc cực đại.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn điốt là:
- Dòng điện định mức I
đm
(A)
- Điện áp ngợc cực đại U
ngmax
(V)
- Điện áp rơi U (V)
1
Anốt
Catốt
a) b)
Các thông số của các điốt thông dụng cho trong phụ lục 1.
1.2 tranzito công suất
Tranzito là linh kiện bán
dẫn gồm 3 lớp npn hay
pnp và đợc biểu diễn trên
hình 1.3 và 1.4.
ở chế độ làm việc
tuyến tính dòng điện cực góp
I
C
là hàm số của dòng điện cực
gốc I
B
, với một điện áp cực
góp phát U
CB

đã định một
biến thiên rất nhỏ của dòng
điện gốc dẫn đến sự biến thiên
lớn của dòng điện góp, tỉ số
của hai dòng điện đó vào
khoảng từ 15 đến 100. Hình
1.5 vẽ đặc tính của tranzito
loại npn.
Cũng nh các linh kiện loại bán dẫn khác, điện áp tăng gây nên sự va chạm
dây chuyền. Điện áp cực góp và cực phát ngợc gây nên va chạm dây chuyền ở lớp
chuyển tiếp gốc phát ở điện áp thấp vào khoảng 10V. Vì thế không thể để tranzito
chịu điện áp ngợc. Trong các mạch có điện áp đổi chiều ngời ta mắc một điốt nối
tiếp với tranzito.
Các đặc tính của tranzito pnp trên
hình 1.4 cũng có dạng tợng tự.
Tổn hao công suất trong tranzito
bằng tích của điện áp góp phát nhân với
dòng điện góp.
Ví dụ trên hình 1.6 nếu ta biến đổi
dòng điện gốc để điều khiển dòng điện qua
tải đặt ở cực góp thì có thể xuất hiện các
điện áp cao ở các cực của tranzito. Ví dụ U
2
Hình 1.3 Tranzito npn
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
Hình 1.2 Đặc tính V- A của điôt
A
Hình 1.4 Tranzito pnp
a) Cấu tạo; b) Ký hiệu
a)

b)
= 200V, dòng điện gốc I
B
đợc điều chỉnh để tạo nên dòng điện 10 A qua tải 10 ,
điện áp rơi trên tranzito là 100V, nh
vậy tổn hao công suất của tranzito là 1kW và hiệu suất tổng cộng là 50%, hiệu suất
đó không thể chấp nhận đợc.
Trong thực tế sử dụng,
tranzito công suất thờng đợc cho
làm việc ở chế độ khoá. ở chế độ
này, khi dòng điện gốc bằng
không, dòng cực góp bằng không,
tranzito đợc coi nh là hở mạch
( hình 1.7) .
Nhng với dòng điện gốc ở
trạng thái có giá trị bão hoà, thì
tranzito trở về trạng thái đóng hoàn
toàn. Tranzito là một linh kiện phụ
thuộc nên cần phải phối hợp dòng
điện gốc với dòng điện góp. ở
trạng thái bão hoà để duy trì khả
năng điều khiển và để tránh điện
tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái
dẫn nhanh chóng. ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng quy luật nh dòng
điện góp để tránh hiện tợng chọc thủng thứ cấp
3
Hình 1.5 Đặc tính của tranzitor
Hình 1.6
Tải đ ợc điều khiển bằng tranzitor
Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khoá ngời ta duy trì một điện áp

ngợc với giá trị nhỏ ở cực gốc nh một khoá chuyển mạch, tổn hao trong công suất
tranzito là nhỏ. Tổn hao đó tính ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp bão
hoà (trong hình 1.5) và dòng góp ở trong trạng thái đóng. Điện áp bão hoà thông th-
ơng của tranzito công suất silic khoảng 1,1V. Để sử dụng triệt để tranzito mà không
bị quá tải trong khi chuyển mạch cần đảm bảo có điện tích an toàn vẽ trên hình 1.7b.
Trong lúc chuyển mậch giữa hai trạng thái trình bầy trên hình 1.7 a điện áp và dòng
điện tức thời phải nằm trong vòng biểu diễn trên hình 1.7b. Chỉ trong khoảng thời
gian chuyển mạch rất ngắn có giới hạn hình chữ nhật. Tổn hao công suất tức thời có
thể chấp nhận đợc làm hạn chế thời gian chuyển mạch, điều đó dẫn tới làm thay đổi
vòng ngoài của điện tích an toàn. Lu ý là hình 1.7 vẽ theo thang lôgarit.
Các tổn hao chuyển mạch của tranzito có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch, điện
áp trên các cực và dòng điện của tranzito cũng lớn. Tích của điện áp với dòng điện
và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyển mạch.
4
Hình 1.7 Tranzitor chuyển mạch
a) trạng thái dẫn và bị khoá; b) Diện tích an toàn ở chế độ xung
Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch
phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.
Với thời gian chuyển mạch vào khoảng 1 đến 2 às, tranzito chuyển mạch
nhanh hơn tiristo. Các điều kiện làm việc ở cực gốc của tranzito nặng nề hơn so với
cực điều khiển của tiristo. Ví dụ nh với tiristo 30A xung điều khiển có thể khoảng
0,1A, trong khi đó dòng điện gốc của tranzito 30A liên tục là 2A trong suốt thời gian
chuyển mạch. Khả năng chịu tải của tranzito rõ ràng là kém hơn tiristo. Ngời ta có
thể khoá một tranzito đang dẫn bằng cách điều khiển dòng điện gốc trong khi đó cực
điều khiển của tiristo sẽ mất tác dụng điều khiển sau khi đã mồi.
Ngời ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito công suất một cách
dáng kể bằng cách lấy dòng điện gốc từ một tranzito khác theo mạch Darlington .
Nếu tranzito hỗ trợ đợc chế tạo trên cùng một miếng silic, hệ số khuếch đại dòng
điện tổng vào khoảng 250, nhng thời gian chuyển mạch dài hơn.
1.3 TIRISTO

Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn
pnpn liên tiếp tạo nên anốt, catốt và cực điều
khiển (hình 1.8a).
Cấu tạo thờng gặp của tiristo cho trên
hình 1.8b, còn hình 1.8c là ký hiệu của tiristo
Về mặt cấu tạo tiristo gồm một đĩa silic
từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm loại bán
dẫn p có cực điều khiển bằng dây nhôm, các
lớp chuyển tiếp đợc tạo nên bằng kỹ thuật bay
hơi của gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và catốt
làm bằng đĩa môlipđen hay tungsten có hệ số
nóng chảy gần với silic. Cấu tạo dạng đĩa kim
loại để dễ dàng tản nhiệt. Hình 1.9 trình bày
mặt cắt của một tiristo. Ngoài cùng là lớp vỏ
bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ dàng tản nhiệt cũng nh để dễ nối
với mạch ngoài.
Để giải thích sự làm việc của tiristo ta hãy xét chi tiết các lớp bán dẫn trong
một tiristo.
Hình 1.10 trình bày chi tiết các lớp bán dẫn
đó.
a)Lớp catốt là bán dẫn loại n rất mỏng và
mật độ điện tử rất cao, do đó nếu có dòng
điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở
lớp điều khiển.
Lớp catốt có dòng điện ngợc lớn nhng chỉ
chịu đợc điện áp ngợc thấp.
5
Hình 1.8. Tiristo
Cấu tạo; b) Cấu trúc thông th ờng;
c) Ký hiệu

Hình 1. 9 Mặt cắt của tiristo
b)Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do đó hầu hết các
điện tử từ lớp catốt có thể tới đợc lớp điều khiển.
c)Lớp chắn là bán dẫn loại n là lớp dầy
nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do đó
tiristo có dòng điện ngợc (dòng điện rò)
nhỏ và chịu đợc điện áp ngợc lớn.
d)Lớp anốt là bán dẫn loại p, có chiều
dầy và mật độ trung bình. Lớp sát vỏ anốt
có mật độ điện tích cao để giảm điện trở
thuận. Lớp anốt có dòng điện ngợc bévà
chịu gần nh toàn bộ điện áp ngợc đặt lên
tiristo.
Tiristo 300A, 200V có lớp silic đờng kính
30 mm dầy 0,7 mm.
Để nghiên cứu sự làm việc của
tiristo ta xét riêng rẽ trong hai trờng hợp :

Hình 1.11. Tiristo phân cực ngợc.
a) Sơ đồ; b) Đặc tính vôn ampe
1) Tiristo phân cực ngợc (hình 1.11a): tiristo làm việc nh một điốt phân cực ng-
ợc và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua. Giá trị điện áp ngợc khoảng từ
100 đến 3000V tuỳ theo loại tiristo, dòng điện tăng đột ngột và tiristor bị chọc thủng
(hình 1.11b).
2) Tiristo phân cực thuận : Điện áp giữa anốt và catốt là dơng. Để giải thích sự
làm việc của các lớp bán dẫn pnpn trong một tiristo ta xem chúng nh gồm 2 tranzito
loại pnp và npn nối với nhau sao cho cực gốc của tranzito này đợc nối với cực góp
của tranzito kia (hình 1.12a và b).
Tranzito đầu tiên loại pnp có cực phát e
1

, gốc b
1
, và gốc c
1
. Dòng điện cực góp
I
c1
= I
co
+
1
I

Trong đó I
co1
là dòng điện rò,
1
là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T
1
Tơng tự đối với tranzito T
2
loại npn ta có:
I
c2
= I
co 2
+ I

, I
co 2

là dòng diện rò,
2
là hệ số khuếch đại dòng điện của
tranzito T
2
.
Dòng điện tổng chạy qua tranzito là:
I

= (
1
+
2
) I
A
+ I
co1
+ I
co2
đặt I
co1
+ I
co2
= I
co
là tổng dòng điện rò qua tiristo ta có:
6
p n p n
+ -
u

i
Dòng điện ng ợc
Điện áp ng ợc
Hình 1.10 Chi tiết mặt cắt của
tiristo
Để tăng I
A
,

nghĩa là có sự khởi động hay còn gọi là để mồi tiristo cần cho
biểu thức của mẫu số bằng không 1 (
1
+ ) = 0.
Vậy khi phân cực thuận tiristo có hai trạng thái:
(
1
+
2
) < 1 tiristo vẫn tiếp tục bị khoá, dòng điện I
A
bằng dòng điện rò I
co
(
1
+
2
) = 1 tiristo khởi động, trở nên dẫn điện tơng tự nh điốt phân cực thuận.
Một trong những tính chất của tranzito silic là có hệ số khuếch đại dòng điện
tăng theo dòng điện cực phát. Do đó có 2 khả năng mồi tiristo:
a)Bằng cách tăng điện áp thuận

Nếu tăng dần U thì điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích thêm
năng lợng tạo nên hiện tợng va chạm dây chuyền, tiristo trở nên dẫn điện. Trị số
điện áp U
B
tại đó tiristo đợc mồi gọi là điện áp mở (hình 1.13).
b) Bằng xung mồi vào cực điều khiển
Nếu dòng điện I
g
có cực tính dơng so với catốt đặt vào cực điều khiển thì tiristo
sẽ đợc mồi với điện áp mở nhỏ hơn ( hình 1.14).
Bằng cách tăng dòng
điện điều khiển I
g
các
điểm khởi động của tiristo
lùi về phía trái còn khi I
g
đạt tới một giá trị nào đó
thì tiristo đợc mồi ngay
lập tức.
` Khi tiristo đã chuyển
sang trạng thái dẫn thì cực
điều khiển không còn tác
dụng. Tiristo chỉ trở về
trạng thái khoá nếu dòng
điện I
A
nhỏ hơn giá trị dòng điện duy trì I
H
và cần một khoảng thời gian tơng đối dài

để lớp điều khiển trở lại trạng
thái bị khoá trớc khi có thể
mồi lại. Nói chính xác hơn để
khó tiristo mạch ngoài nhận
dòng điện anốt ngợc trong
khoảng thời gian ngắn, dòng
7
p
e
1
n
b
1
c
1
n p
e
2
c
1
I
c2
I
c1
n
c
2
T
2
T

1
A
G
K
Hình 1.12:
a) Tiristo phân cực thuận; b) Sơ đồ t ơng đ ơng
điểm khởi động
Trạng thái dẫn
Trạng thái bị khoá
I
H
Dòng điện
duy trì
u
i
Hình 1. 13: Mồi tiristo bằng cách tăng điện áp
thuận
Trạng thái bị khoá
I
g
=0
I
g3
>I
g2
>I
g1
Trạng thái dẫn
i
I

H
Hình 1.14: Tiristo mồi bằng dòng điện điều khiển
điện ngợc (hình 1.15) tạo nên sự chuyển dịch điện tích tại lớp pn và cho phép hai lớp
ngoài khoá tất cả dòng điện ngợc phụ. Cần khoảng thời gian từ 10 đến 100 às để các
hạt mang điện trong lớp điều khiển phối hợp trở lại, do đó có thể đặt điện áp thuận
mà không bị mồi ngay lập tức.
Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn tiristo là:
- Dòng điện định mức I
n
(A)
- Điện áp ngợc cực đại U
in. max
(V)
- Điện áp rơi U (V)
- Điện áp điều khiển U
g
(V)
- Dòng điện điều khiển I
g
(mA)
- Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/ às)
- Tốc độ tăng điện áp dv/dt (V/ às)
- Dòng điện rò I
co
(mA)
1.3 triac và mạch điều khiển TRiac
Tiristo chỉ làm việc ở một trong hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều, do đó
nếu ta nối song song ngợc hai tiristo (hình 1.16) thì có thể giải quyết đợc sự làm
việc trong cả chu kỳ của dòng điện xoay chiều.
Giải pháp tốt nhất cho vấn đề trên dẫn đến triac.

Triac là linh kiện bán dẫn tơng tự nh hai tiristo nối song song ngợc, thực hiện
trên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển.
Hình 1.17a trình bầy các lớp bán dẫn và các cực trong một triac, hình 1.17b là
hình vẽ cấu tạo, còn hình 1.17c là ký hiệu của triac.
Khái niệm về anốt và catốt không có ý nghĩa với triac, ngời ta đánh số T
1
là
cực gần với cực điều khiển G.
8
Hình 1.15
Biến thiên của dòng điện trong quá
trình khoá
Hình 1. 16 Nối song song
ng ợc 2 tiristo và triac
Hình 1.17 Triac
Đặc tính vôn- ampe vẽ theo chiều quy ớc của cực T
1
. ở góc phần t thứ nhất
hình 1.18 khi U
T2
> U
T1
, còn góc phần t thứ ba thì ngợc lại. Đặc tính vôn ampe là đối
xứng. Cũng nh ở tiristo, điện áp U
Bo
là giá trị điện áp mở đa triac từ
trạng thái bị khoá sang trạng thái
dẫn khi không có dòng điện điều
khiển, I
g

= 0. Khi có dòng điện điều
khiển I
g
, triac sẽ mở với điện áp đặt
vào nhỏ hơn. Nên lu ý là triac tự bảo
vệ chống lại quá điện áp theo chiều
thuận hay ngợc, và khi triac đợc mở
với điện áp lớn hơn U
B
theo cả hai
chiều, triac tiếp tục dẫn tới nửa chu
kỳ, trong khoảng thời gian đó có
quá điện áp.
Triac chỉ bị khoá khi I
g
= 0 và
điện áp đặt vào nhỏ hơn ngỡng U
B
và đợc mở theo chiều này hay chiều
khác (góc toạ độ I hay III) tuỳ theo
cực tính của dòng điện điều khiển. Có 4 cách mở triac.
ở góc phần t I:
Cách I
+
, dòng và áp cực điều khiển dơng
Cách I
-
, dòng và áp cực điều khiển âm
ở góc phần t III:
Cách III

+
, dòng và áp cực điều khiển dơng
Cách III
-
, dòng và áp cực điều khiển âm.
Ưu điểm cơ bản của triac là mạch điều khiển đơn giản nhng công suất giới hạn
nhỏ hơn công suất tiristo.
9
Hình 1.18
Đặc tính vôn ampe của triac
chơng II
chỉnh lu dùng điôt và lọc
2.1 Khái niệm chung
Chỉnh lu là biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành năng lợng điện một chiều
.
Điện áp và dòng điện sau chỉnh lu có chiều không đổi nhng vẫn dao động về
trị số. Do đó để tải nhận đợc một điện áp hoặc dòng điện hoàn toàn không đổi cả về
chiều và trị số ngời ta phải dùng phần tử lọc.
2.2 Mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ
Mạch chỉnh lu này có thể thực hiện theo hai sơ đồ: sơ đồ dùng máy biến áp
có điểm giữa cuộn dây thứ cấp và sơ đồ chỉnh lu cầu một pha
2.2.1 Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa
Trong sơ đồ này điện áp thứ cấp của MBA nguồn đợc chia làm hai nửa bằng
nhau nhng ngợc ph nhau
u
21
= - u
22
= U
m

sin t = U
m
sin
Trong đó U
m
là biên độ nửa điện áp thứ cấp.
Đồ thị biến thiên của u
1
và u
2
nh hình 2.2
ở nửa chu kỳ thứ nhất (0 ), u
21
> 0, điôt D
1
mở, điện áp trên D
1
là u
D1
=
0, điện áp đa ra tải u
d
= u
21
, còn điện áp trên D
2
là u
D2
= u
2

u
d
= u
22
u
21
= -u
21
- u
21
= -2u
21
< 0 nên D
2
khoá. ở nửa chu kỳ thứ hai ( 2), u
22
> 0, điôt D
2
mở, điện
áp trên D
1
là u
D2
= 0, điện áp đa ra tải u
d
= u
22
, còn điện áp trên D
1
là u

D1
= u
21
u
d
=
u
21
u
22
= -u
22
- u
22
= -2u
22
< 0 nên D
1
khoá.
Nh vậy ở mỗi nửa chu kỳ chỉ có một điôt mở va đồ thị biến thiên của u
d
nh
hình 2.2
Các thông số của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :
a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu
10
u

0

2

0
u
d

2
Hình 2.2 Đồ thị biến
thiên điện áp
D
1
Z
u
d
u
22
u
1
i
d
u
21
Hình 2.1 Sơ đồ
nguyên lý
D
2
0
u
21
u

22
u
d
i
d
2
2
0
22
2
1
UduU
ddo




==

( 2.1)
b) điện áp ngợc cực đại trên mỗi điôt U
ngmax
2max
22 UU
ng
=
( 2.2)
c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu
42
minmax

0

=

=
do
dd
U
uu
K
( 2.3)
d) Giá trị trung bình dòng điện tải
R
U
I
do
d
=
( 2.4)
Đặc biệt trong trờng hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản
điện E, điện trở R và điện cảm L ta có:
R
EU
I
do
d
'

=
( 2.5)

2.2.2 Sơ đồ cầu một pha (hình 2.3)
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu một pha nh hình 2.3
Trong sơ đồ này ngời ta dùng 2 nhóm điôt: nhóm catôt chung gồm 2 điôt D
1
và D
2
và nhóm anôt chung gồm 2 điôt D
3
và D
4
Điện áp thứ cấp của máy biến áp là: u
2
= U
m
sin và có đồ thị nh hình 2.4.
11

0
u
2

2

0
u
d
2
Hình 2.4 Đồ thị biến thiên
điện áp
Hình 2.3 Sơ đồ

nguyên lý
Z
u
d
u
2
u
1
i
d
D
1
D
3
D
2
D
4
M
N
1
2
ở nửa chu kỳ thứ nhất (0 ), u
21
> 0, điôt D
1
và D
3
mở, dòng điện đi từ
điểm 1 qua M qua phụ tải đến điểm N qua D

3
đến điểm 2. Điện áp trên D
1
và D
3
là
u
D1
=u
D3
= 0, điện áp đa ra tải u
d
= u
2
, còn điện áp trên D
2
và D
4
là u
D2
= u
D4
=- u
2
< 0
nên D
2
, D
4
khoá. ở nửa chu kỳ thứ hai ( 2), u

2
< 0, điôt D
2
, D
4
mở, điện áp
trên D
1,
D
3
là u
D1
, u
D3
= 0, điện áp đa ra tải u
d
= - u
2
, còn điện áp trên D
1
, D
3
là u
D1
=
u
D3
= u
2
< 0 nên D

1
, D
3
khoá.
đồ thị biến thiên của u
d
nh hình 2.4
Các thông số của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm:
a)Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu
2
2
0
22
2
1
UduU
ddo




==

( 2.6)
b) điện áp ngợc cực đại trên mỗi điôt U
ngmax
2max
2UU
ng
=

( 2.7)
c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu
42
minmax
0

=

=
do
dd
U
uu
K
( 2.8)
d) giá trị trung bình dòng điện tải
R
U
I
do
d
=
( 2.9)
e) Công suất biểu kiến của máy biến áp nguồn:
d
do
s
I
U
IUS .

22
.
.
2

==
( 2.10)
2.3 Các mạch chỉnh lu ba pha
Chỉnh lu 3 pha có thể thực hiện theo 2 sơ đồ: sơ đồ chỉnh lu 3 pha hình tia và
sơ đồ cầu ba pha
2.3.1 Sơ đồ chỉnh lu ba pha hình tia
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lau ba
pha hình tia nh hình 2.5
Trong sơ đồ này nếu chọn
điện áp thứ cấp của pha 1 làm gốc
pha , ta có biểu thức điện áp pha thứ
cấp của máy biến áp là:u
1
= U
m
sin
u
2
= U
m
sin ( - 120
o
)
12
D

1
Z
u
d
i
d
u
1
D
2
D
3
u
2
u
3
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên
lý
A
B
C
u
3
= U
m
sin ( + 120
o
)
và đồ thị biến thiên của chúng nh hình 2.6. Để chỉnh lu các điện áp này, ngời ta
dùng một nhóm điốt catốt chung gồm 3 điốt D

1,
D
2
, D
3
.
ở
đây theo quy tắc của nhóm điôt ca tôt chung, chỉ điôt nào nối với pha có
điện áp dơng nhất ở trạng thái mở. Do đó trong khoảng (

1








2
), u
1
lớn nhất,
chỉ D
1
mở, dòng điện sẽ đi từ điểm 1 qua D
1
đến M qua phụ tải đến điểm N và điểm
trung tính 0 ; điện áp đa ra tải U
d

= u
1
, điện áp trên D
1
là u
D1
= 0.
Trong khoảng

2








2
, u
2
lớn nhất chỉ D
2
mở , dòng điện đi từ điểm 2 qua
D
2
đến M qua phụ tải đến điểm N và điểm trung tính O. Điện áp đa ra tải u
d
= u
2

Điện áp trên điốt D
1
lúc đó là :
u
D1
= u
1
u
d
= u
1
u
2
< 0 và trị số tuyệt đối của nó bằng khoảng cách giữa
hai đờng cong u
1
và u
2
.
Trong khoảng

3

4
, u
3
lớn nhất chỉ D
3
mở . Dòng điện đi từ điểm 3 qua
D
3
đến điểm M qua phụ tải đến điểm N.
Điện áp đa ra tải u
d
= u
3
đ
iện áp trên điốt D
1
lúc đó là :
u
d1
= u
1
u
d
= u
1
u
3
< 0 và trị số tuyệt đối của nó bằng khoảng cách giữa
hai đờng cong u
1

và u
3
.
13
Hình 2.6 Đồ thị biến thiên
điện áp

u
0

2
M
N P
Q
u
1
u
2
u
3
D
1
D
2
D
3

1

2

3
u
D1
Nh vậy đồ thị biến thiên của u
d
có dạng nh đờng đậm nét , còn đồ thị biến
thiên của u
D1
có dạng nh đờng đứt nét hình 2. 6 .
Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :
a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu
2
2
1
2
2
0
2
63
sin2
2
3
2
1
UdUduU
ddo

===
(
1
=/6;
2
=5/6) ( 2.11)
b) điện áp ngợc cực đại trên mỗi điốt U
ngmax
Căn cứ vào đờng đứt nét hình 2.6 của điện áp u
D1
, ta có
2max
6UU
ng
=
c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu:

do
dd
U
uu
K
2
minmax

0

=
( 2.12)
từ đờng cong u
d
ta có: u
dmax
=
2
2U
; u
dmin
=
6
sin2
2

U
=0,5
2
2U
nên
3,0
6
3
25,0
2
2
0

==
U
U
K

d) Giá trị trung bình của dòng điện tải:
R
U
I
do
d
=
Đặc biệt trong trờng hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản
điện E, điện trở R và điện cảm lớn L. Với điều kiện E<U
do
ta có:
R
EU
I
do
d

=
e) Trị số trung bình của dòng điện qua mỗi điôt:
Vì mỗi điôt chỉ dẫn điện trong 1/3 chu kỳ nên: i
0
=I
d
/3
g) Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp I

s
Dòng điện thứ cấp mỗi pha cũng chính là dòng điện qua điôt của pha đó. Do
đó: I
s
=I
d
/
3
h) Công suất biểu kiến của máy biến áp nguồn
ds
I
U
IUS .
3
3.3
2
2
==
( 2.13)
14
2.3.2 Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu ba pha nh hình 2.7
Trong sơ đồ này nếu ta chọn điện áp thứ cấp u
1
làm gốc pha, ta có:
u
1
= U
m
sin

u
2
= U
m
sin ( - 120
o
)
u
3
= U
m
sin ( + 120
o
)
Trong đó: U
m
là biên độ của điện áp thứ cấp của một pha máy biến áp.
Đồ thị biến thiên của các điện áp này nh hình 2.8.
Để
chỉnh lu các điện áp này ngời ta dùng 2 nhóm điôt: nhóm điôt catôt chung gồm 3
điôt D
1
, D
3
,D
5
và nhóm điôt anôt chung gồm 3 điôt D
2
, D
4

,D
6

Trong khoảng

1








2
, u
1
dơng nhất và u
2
âm nhất nên D
6
, D
1
mở
Trong khoảng

2

3
, u
1
dơng nhất và u
3
âm nhất D
2
, D
1
mở
15

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp ra
B
A
C
u
1
u
2
u
3
Z
u
d

i
d
D
1
D
3
D
5
D
4
D
6
D
2
u
Hình 2.7 Sơ đồ
nguyên lý

1


2


3


4

5


6

u
1
u
2
u
3
u
d
Lập luận trong các khoảng tiếp theo. Ta có kết quả trong bảng 2.1
Khoảng Điôt thông Chiều dòng điện Điện áp phụ tải

/6
ữ
3

/6
1 và 6 Từ A qua tải về B u
1
- u
2
3

/6
ữ
5

/6
1 và 2 Từ A qua tải về C u
1
- u
3
5

/6
ữ
7

/6
3 và 2 Từ B qua tải về C u
2
- u
3
7

/6
ữ
9

/6
3 và 4 Từ B qua tải về A u
2
- u
1
9

/6
ữ
11

/6
5 và 4 Từ C qua tải về A u
3
u
1
Kết quả là điện áp trên phụ tải trong một chu kỳ dòng điện ba pha là chỏm hình
sin ứng với số đập mạch là m = 6.
Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :
a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu
2
2
1
2
2
0
63
)
3
cos(2
2
6
2
1
UdUduU
ddo

===
(
1
=/6;
2
=5/6) ( 2.14)
b) điện áp ngợc cực đại trên mỗi điốt U
ngmax
2max
6UU
ng
=
c) Dòng điện qua tải trung bình là:
I
d
= U
d
/ R
d) Dòng điện trung bình qua mỗi điôt:
I

D
=
33
dd
I
R
U
=
2.4 Các mạch lọc:
2-4.1 Khai triển Fourier điện áp chỉnh lu và mục đích mạch lọc
Từ các mạch chỉnh lu đã xét trớc đây ngời ta thấy rằng đồ thị biến thiên của
điện áp chỉnh lu có dạng nhấp nhô.
Điện áp u
d
nh vậy có thể khai triển Fourier dới dạng :
)cos
1
)1(2
1(
1
22
tKn
nK
Uu
K
K
dod

=


+=
(2.15)
16
Trong đó: U
do
giá trị trung bình của u
d
n- số đỉnh hình sin trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều cần chỉnh lu, n còn gọi
là chỉ số nhấp nhô.
Nh vậy điện áp u
d
bao gồm thành phần không đổi U
do
, thành phần dao động
cơ bản U
nmax
cosnt và các thành phần dao động bậc cao U
Knmax
cosKnt. Trong đó
K= 2ữ
Bởi vì K càng lớn thì biên độ của biên độ thành phần giao động càng lớn. Do
đó khi tính gần đúng ta có thể chỉ lấy hai thành phần trong khai triển Fourier của u
d
:
thành phần không đổi u
do
và thành phần giao động cơ bản U

nmax
cosnt. Nói cách
khác
u
d
U
do
+ U
nmax
cosnt (2.16)
Trong đó
don
U
n
U
1
2
2
max

=
(2.17)
Mục đích của mạch lọc là giữ lại thành phần không đổi U
do
cung cấp cho phụ
tải và làm suy giảm thành phần giao động cơ bản U
nmax
cosnt. Để đánh giá mức độ
lọc ngời ta xác định hệ số nhấp nhô K
0

của điện áp sau khi lọc hoặc hệ số lọc.
nra
K
nvào
K
f
K =
(2.18)
Trong đó :
1n
2
U
U
K
2
do
nmax
nvào

==
- là tỉ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu đa vào mạch lọc .
do
nmaxra
nra
U
U
K =
- là tỉ số nhấp nhô của điện áp ra khỏi bộ lọc.
U
nmaxra

biên độ của thành phần giao động cơ bản của điện áp ra của bộ lọc.
2.4.2 Mạch lọc dùng tụ điện
Ta xét một sơ đồ chỉnh lu một pha hai nửa chu kì có mạch lọc dùng tụ điện C
nh hình 2.9. Trong sơ đồ này tụ điện C đợc mắc song song với phụ tải . Do đó điện
áp đầu phụ tải u
d
bằng điện áp trên tụ điện u
c
.
Điện áp trên tụ biến thiên giữa giá trị cực đại U
m
và cực tiểu U
m
U
r
. Khi
điện áp biến thiên nhỏ có thể tính gần đúng:
17
RCf
U
U
r
m
r
=
( 2.19)
f
r
là tần số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu
Trị trung bình của điện áp chỉnh lu:

)
2
1
1(
RCf
UU
r
md
=
( 2.20)
Điện áp hiệu dụng nhấp nhô:

RCf
U
U
r
m
ac
22
=
( 2.21)
Ta tìm đợc hệ số sóng:
)1(2
1

=
RCf
k
r

s
( 2.22)
Trong sơ đồ ở hình 2.9a, điện trở R
in
hạn chế dòng điện nhảy vọt có thể đạt giá trị
lớn vì ban đầu tụ cha nạp và đóng tụ điện tại thời điểm điện áp cực đại
2.2.3 Mạch lọc dùng điện cảm
Ta xét một sơ đồ mạch lọc dùng điện cảm đơn giản nhất nh hình 2-10. Dòng
điện chỉnh lu đợc duy trì ở giá trị xác lập nếu cảm kháng L
f
>>R. Tác dụng lọc sẽ
hiệu quả hơn trong các điều kiện dòng tải lớn. Hình 2.11 trình bày dạng sóng dòng
điện chỉnh lu khi có lọc điên cảm. Hệ số sóng khi có tác dụng lọc đợc cho bằng biểu
thức:
18
R
C
D
1
D
2
u=U
m
sin
u
d
u


2

u
d

U
m

D
1
dẫn
D
2
dẫn
2


u
22
)2(
f
t
d
fLR
R
u
u

+
=
( 2.22)

Hệ số khi có lọc LC đợc cho bằng
biểu thức
ff
t
d
CLf
u
u
2
)2(1
1


=
( 2.23)
trong đó f là tần số sóng, R >> 1/2.f.C
Khi điện cảm L
f
lớn, dòng điện qua điện cảm và điện áp ra u
d
có dạng là
không đổi . Khi điện cảm L
f
lớn, dòng điện qua điện cảmcó hình dáng nhấp nhô.
Nếu điện cảm quá nhỏ, dòng điện giảm đột ngột bằng không và trở nên không liên
tục.
Giá trị điện cảm tối thiểu để duy trì dòng điện một chiều gọi là điện cảm tới
hạn. Đối với chỉnh lu hai nửa chu kỳ:
f
R

L
c

6
=
( 2.24)
Đối với chỉnh lu nhiều pha điện cảm tới hạn đợc xác định bằng:
fmm
R
L
c
)1(3
2

=

( 2.25)
ở đây m là tỷ số tần số sóng thấp nhất trên tần số điện áp vào. Ví dụ đối với
chỉnh lu cầu 3 pha m = 6
19
Chỉnh l u
R
L
Hình 2.10 Bộ lọc dùng điện cảm
Trong thực tế việc tính chọn L
f
phụ thuộc vào hệ số sóng của điện áp chỉnh l-
u. Bằng phân tích Fourier điện áp chỉnh lu hai nửa chu kỳ thứ cấp MBA có điểm
giữa ta tìm đợc
)1(

4
2


=
n
U
u
m
L


với n=2,4,8. ( 2.26)
Thành phần một chiều của điện áp chỉnh lu cho bằng công thức

=

=
8,4,2
2
1
1
2
n
s
n
k
( 2.27)
Độ méo điều hoà đợc xác định bằng công thức:
1)(

2
=
I
I
THD
20
t
u
2

2
t
i
s
t
u
d
L vô cùng lớn
L giới hạn
t
i
d
, u
L giới hạn
L vô cùng lớn
Hình 2. 11
Dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ chỉnh l u hai nửa chu kỳ có lọc điện cảm
trong đó I là trị hiệu dụng dòng điện vào; I
1
là trị hiệu dụng thành phần có

bản của dòng điện
Dòng điện sau khi lọc:

=
=
5,3,2
2sin
1
4
n
m
nft
n
I
i


Lu ý cần nối một điôt thoát trong mạch chỉnh lu pha nửa chu kỳ để duy trì
dòng điện ở hai nửa chu kỳ âm
21
Chơng 3
Chỉnh lu có điều khiển dùng Tiristo
3-1. Khái niệm chung
Nh ta đã biết ở chơng 1, điốt sẽ mở khi hiệu thế giữa anốt và catốt trở
nên dơng (U
AK
> 0 ) còn tirito chỉ mở khi đồng thời thoả mãn cả 2 điều kiện : U
AK
>
0 và có tín hiệu dơng U

GK
hoặc I
G
tác dụng vào cực điều khiển G của tiristo. Do đó
tiristo thờng mở chậm hơn điốt tơng ứng một góc nào đó. Góc này đợc gọi là
góc mở chậm của tiristo , ta có :
= (3.1)
Trong đó:
- tần số góc của dòng điện xoay chiều
- thời gian tính từ thời điểm mở điốt tơng ứng ( U
AK
bắt đầu dơng ) đến thời
điểm mở tiristo ( có tín hiệu điều khiển I
G
).
Trong các mạch chỉnh lu dùng tiristo đều đợc cung cấp từ nguồn điện xoay
chiều một pha hoặc 3 pha . Do đó các tiristo chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái
khoá thờng bằng cáh tự nhiên. Điều này có nghĩa là mỗi tiristo sẽ khoá lại khi dòng
điện qua nó đi qua trị số không, hoặc nó bị phân cực ngợc một cách tự nhiên theo
quy luật của nguồn điện xoay chiều và tính chất phụ tải .
3-2. các chế độ cung cấp điện cho một phụ tải qua mạch
chỉnh lu dùng tiristo .
Khi cung cấp diện cho một phụ tải qua bộ chỉnh lu dùng tiristo ta có thể gặp
2 chế độ cung cấp sau đây:
3-2-1. Chế độ cung cấp gián đoạn : ở chế độ cung cấp này dòng điện qua
phụ tải không liên tục .
Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu 1 pha một nửa chu kì nh
Hình 3-1
Trong mạch này tiristo Th đợc điều khiển bằng các xung dòng điện i
G

xuất
hiện chậm sau điện áp u một góc pha nào đó nh hình 3-1b.
Khi có tín hiệu i
G
, tiristo sẽ mở, nên góc đợc gọi là góc mở chậm của
tiristo. Khi tiristo mở thì điện áp ở 2 đầu phụ tải :
tUuu
md

sin==
22

u

R
L
u
d
T
u
1
u
d
u
2
u
2

2

1

2

còn dòng điện i
d
qua phụ tải đợc xác định từ phơng trình

tUuRi
dt
di
L
md
d

sin==+
(3.1)
Nghiệm của phơng trình này sẽ là :

t
L
R
m
d
Aet
z
U
i

+= )sin(
( 3.2 )
Trong đó
22
)( LRz

+=
- tổng trở phụ tải ( 3.3)
A hằng số tích phân đợc xác định từ điêud kiện ban đầu.
3-2-2. Chế độ cung cấp liên tục : ở chế độ này dòng điện qua phụ tải
là một dòng điện liên tục (luôn luôn lớn hơn không )
Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kì nh
hình 3-2a.

Trong mạch này các tiristo T
1
và T
2
đợc điều khiển bằng các xung dòng điện
i
G1
và i
G2
, ở mỗi chu kì xung điều khiển i
G1
đợc cho trên cực điều khiển của T
1
chậm

sau điện áp u
1
một góc , còn i
G2
đợc cho trên cực điều khiển của T
2
chậm sau i
G1
một góc nh hình 3-2b.
Tại góc có i
G1
và u
1
> 0 nên Th
1
mở :
( )
t
L
R
m
Thd
Aet
z
U
ii

+== sin
1
( 3.4)
và có dạng nh đờng cong i
Th1
hình 3-2b.
Tại góc + , có i
G2
và u
2
> 0 , T
2
mở. Khi T
2
mở u
K
= u
A2
= u
2
. Điện áp trên
tiristo lúc đó sẽ là :
U
A1K
= u
A1
u
K
= u
1

u
2
< 0, nên T
1
khoá lại , nh vậy sự mở của một tiristo
sẽ dẫn đến sự khoá của một tiristo khác. khi tiristo T
2
mở , i
d
= i
Th2
và có dạng giống
nh i
Th1
ở nửa chu kì trớc. Bây giờ ta hãy xem với điều kiện nào thì dòng điện i
d
qua
phụ tải là liên tục , ta dễ dàng thấy rằng để i
d
liên tục thì ngay trớc khi mở Th
2
, dòng
điện i
d
= i
Th1
cha giảm đến không. Nói cách khác dòng điện i
d
ở các góc pha và
+ lớn hơn không

3-3. sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dùng tiristo
Trong sơ đồ này ngời ta dùng 4 tiristo T
1
, T
2
, T
3
, T
4
. Các tiristo này đợc điều
khiển bằng các xung dòng điện điều khiển tơng ứng i
G1
, i
G2
, i
G3
, i
G4
. Thông thờng các
xung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ trong
hình 3-3a).
23

T
1
u
21
Tải
u
22

u
1
T
2

u
d
i
d
i
d
u
d

1

2


2
Mạch chỉnh lu đợc cung cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua biến áp với
điện áp thứ cấp :
u
2
= U
2m
sint
Các xung điều khiển i
G1
, i

G2
, i
G3
, i
G4
có cùng chu kì với u
2
nhng xuất hiện
không đồng thời với u
2
.
Các xung i
G1
, i
G3
xuất hiện sau u
2
một góc pha , còn các xung i
G2
, i
G4
xuất
hiện sau u
2
một góc + (hình3-3b).
Trong nửa chu kì đầu của u
2
, (0 t ), u
2
> 0, các tiristo T

1
và T
3
đợc phân
cực thuận. Do đó tại t = (có i
G1
và i
G4
), các T
1
và T
3
mở. Lúc đó dòng điện đi từ
điểm A qua T
1
đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T
3
về điểm B.
Các tiristo này mở cho đến lúc t = . Tại t = , u
2
= 0. Dòng qua tiristo
cũng bằng không (vì ở mạch thuần trở dòng điện cùng pha với điện áp ) và tiristo tắt
một cách tự nhiên.
Trong thời gian các tiristo này mở ( t ) điện áp chỉnh lu (điện áp ở
hai đầu phụ tải ) là:
u
d
= u
2
= U

2m
sint
dòng điện qua phụ tải và tiristo T
1
là :
t
R
U
R
u
ii
md
Thd

sin
2
1
===
còn điện áp trên tiristo T
1
là u
T1
= 0.
Sang nửa chu kì hai của u
2
( t 2) u
2
< 0, các tiristo T
2
và T

4
đợc phân
cực thuận. Do đó tại góc pha + (có i
G2
và i
G4
) các tiristo T
2
và T
4
mở, lúc đó dòng
điện đi từ điểm B qua T
2
đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T
4
về điểm A.
Các tiristo này mở cho đến t = 2 . tại t = 2, u
2
= 0 dòng điện qua tiristo
bằng không và tiristo tắt một cách tự nhiên. Trong thời gian các tiristo T
2
và T
4
mở,
điện áp chỉnh lu.
24
Hình 3.3 Chỉnh l u cầu một pha có điều khiển
Tải
T
3

T
1
T
4
T
2
u
d
i
d


1


2


u
u
d
u
2

u
2
u
d
= -u
2

= -U
2m
sint
và dòng điện qua phụ tải và tiristo T
2
là :
t
R
U
R
u
ii
md
Thd

sin
2
2
===
với sự mở của T
2
và T
4
, u
M
= u
B
và u
N
=u

A
. Lúc đó điện áp trên các tiristo T
1
và T
3
sẽ
là :
0
0
2
2
3
1
<===
<===
uuuuuu
uuuuuu
BABNT
BAMATh
Do đó các tiristo T
1
và T
3
khoá lại (i
Th1
= 0 ), nh vậy sự mở của một đôi tiristo
sẽ dẫn đến sự khoá một cách tự nhiên đôi tiristo khác và các đờng cong biến thiên
của u
d
, i

d
và u
Th1
có dạng nh hình 3-3b.
Từ đờng cong dòng điện i
d
ta thấy rằng trong mạch chỉnh lu này phụ tải đợc
cấp điện theo chế độ gián đoạn.
a) Các thông số của mạch chỉnh lu cầu một pha dùng thyristor khi phụ tải
thuần trở.
-
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

=



2
0
2
1
' tduU
dodo
( 3.7)
Từ đờng cong u
d
hình 3-3b, ta có :
( )

+==

cos1sin
2
2
'
2
2
m
mdo
U
ttdUU
( 3.8)
Trong đó U
2m
biên độ điện áp thứ cấp của máy biến áp .
Ta dễ dàng thấy rằng khi thay đổi từ 0 ữ thì U
do
thay đổi từ

m
U
2
2
đến 0.
Do đó ta có thể điều khiển U

do
bằng cách thay đổi .
-
Điện áp ngợc cực đại trên mỗi tiristo U
ngmax
Từ đờng cong u
Th1
hình 3-3b ta suy ra U
ngmax
= U
2m
khi góc mở chậm của
tiristo
2



Nếu
2


>
thì U
ngmax
= U
2m
sin
-
Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu
do

dd
U
uu
K
'2
minmax
'
0

=
( 3.9)
Đối với mạch chỉnh lu này u
dmin
= 0, u
dmax
= U
2m
khi
2



và u
dmax
= U
2m
sin
khi
2

>
. Do đó khi
2



, ta có:
25