thiết kế mạch ổn áp 1 chiều
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (240.39 KB, 24 trang )
Chơng1
Giới thiệu chung
. Điện áp một chiều
Điện áp xoay chiều đã rất quen thuộc với chúng ta trong các ứng dụng công nghiệp
cũng nh trong đời sống . Với u điểm dễ dàng chuyển đổi giữa các cấp điện áp nhờ
máy biến áp nên việc sử dụng và truyền tải dễ dàng, nó là nguồn cung cấp chủ yếu
cho các thiết bị sinh hoạt cho các động cơ điện một pha, ba pha,... Tuy nhiên trong
công nghiệp ta còn gặp một bộ phận thiết bị điện nữa cũng rất quan trọng đó là các
thiết bị điện sử dụng điện một chiều, từ các thiết bị đơn giản nh ắc quy, động cơ một
chiều nhỏ , các mạch điện tử đến các thiết bị phức tạp nh các động cơ một chiều công
suất lớn , các bộ chỉnh lu công suất lớn, các bộ nguồn cung cấp điện áp một chiều
chất lợng cao công suất lớn cung cấp cho các bể mạ, lò điện, máy nâng, máy
xúc,...Hơn nữa với u điểm là có tổn hao trên đờng truyền nhỏ việc đa các hệ thống
truyền tải điện một chiều đang ngày càng có vai trò cao .Với các thiết bị sử dụng điện
áp một chiều thì chất lợng điện áp là một yếu tố rất quan trọng nó có ảnh hởng quyết
định đến đặc tính làm việc của thiết bị điện, do vậy việc thiết kế các bộ biến đổi điện
áp từ điện áp xoay chiều thông dụng thành điện áp một chiều chất lợng cao là rất
quan trọng .
.Bộ ổn áp một chiều
Bộ ổn áp một chiều phải là bộ nguồn cung cấp áp một chiều chất lợng cao đồng thời
phải có khả năng tự điều chỉnh ổn định điện áp khi tải hay lới cung cấp biến động .
Trong thực tế, có rất nhiều loại ổn áp khác nhau với nhiều nguyên lý hoạt động khác
nhau nh : ổn áp kiểu so sánh , ổn áp xung, ... trong đó ổn áp xung đang ngày một đ ợc
ứng dụng rộng rãi do hiệu suất rất cao của nó và khả năng cho chất l ợng điện áp rất
tốt .
Bộ ổn áp một chiều với yêu cầu của đề tài thờng đợc sử dụng trong các rơle điện một
chiều và trong các động cơ một chiều loại nhỏ .Do vậy tải của nó thờng là tải R-L
Chơng 2
các phơng án mạch chỉnh lu
Để điều chỉnh điện áp ra ta có thể sử dụng các phơng án mạch nh sau :
Với yêu cầu của đề tài, mạch chỉnh lu cần phải có chất lợng điện áp ra rất tốt với hệ số
đập mạch rất nhỏ, vì vậy ở đây ta chỉ xét đến các sơ đồ cầu : chỉnh lu điều khiển cầu
một pha đối xứng, không đối xứng ; chỉnh lu điều kiển cầu ba pha đối xứng , không đối
xứng và chỉnh lu cầu không điều khiển 1 pha , 3 pha kết hợp với băm xung.
1
1. Chỉnh lu điều khiển một pha sơ đồ cầu :
1.1.Sơ đồ đối xứng :
- ta có sơ đồ mạch lực nh hình vẽ sau :
a. sơ đồ nguyên lý ( hình 1.a)
IT1
IT4
Id
b. đồ thị dòng áp (hình 1.b)
ud
2
t
id
Id
i1
t
Id
t
i4
Id
i2
t
Id
t
- Id
Hình 1.b_đồ thị dòng áp _sơ đồ
cầu
điều khiển một pha đối xứng
- điện áp vào u2 = 2U2 sin t
(V)
= 2f , f = 50Hz
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ nh sau : trong nửa chu kỳ đầu u2 > 0 T1 có khả
năng mở, tại thời điểm t 1 ta đa xung mở thysistor T1 và T3 , chúng mở ngay và cho
dòng chảy theo đờng T1 - Tải - T3 - Nguồn , áp đặt lên tải u d = u2 và có chiều nh hình
2
vẽ .Tơng tự trong nửa chu kỳ sau , tại t = t 2 ta đa xung vào mở thysistor T2 và T4, dòng
sẽ chảy theo đờng T2 - Tải - T4 - Nguồn .
C . Hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)
cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T 1,, T3, T5;
nhóm Anốt chung : T2, T4, T6;
điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lợt là: Ua=
Ub=
2U 2 sin( 2 )
3
;
2U 2 sin
;
2U 2 sin( 4 ) ;
3
Góc mở đợc tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các nửa hình sin).
Giả thiết T5 , T6 đang dẫn cho dòng chảy qua VF = Vc ; VG= Vb;
Uc=
+ cho xung điều khiển mở T1 .thyristor này đợc mở vì Va>0 sự mở
6
của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì V a> Vc . Lúc này T6 và T1 cho dòng
chảy qua, và điện áp trên tải là:
Ud=Uab=Va-Vb;
* Khi = 1 =
Khi = 2 = 3
+ cho xung điều khiển mở T 2 khi T2 mở nó làm cho T6 bị khóa lại
6
tơng tự trên .
Quá trình cứ tiếp tục nh vậy, mỗi van đợc đa xung vào mở sau
Ta có biểu thức tính toán sau:
điện áp trung bình trên tải : Ud=
6
2
5
+
6
2U 2 sin d =
+
6
1
T;
3
3 6
cos
điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van: Unmax= 6U 2 ;
dòng điện chảy qua các van là
: IT = Id/ 3;
2. Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 fa điều khiển :
a,
sơ đồ:( Hình 2a)
IT1
IT4
I
6
3
Hình 2a_sơ đồ chỉnh điều khiển cầu 3 fa
b. Đồ thị dòng áp mạch chỉnh lu cầu 3 fa ĐK( Hình 2b )
uf
uA
uC
uB
0
t2
t1
t
2
t3
t4
t5
t6
t7
Ud
t
0
iT1
iT6
I1
0
t
I6
0
t
ia
0
t
Id
0
t
0
t
uT1
d . hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)
cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T 1,, T3, T5;
nhóm Anốt chung : T2, T4, T6;
Ungmax
điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lợt là: Ua=
Ub=
2U 2 sin( 2 )
3
;
4
2U 2 sin
;
2U 2 sin( 4 ) ;
3
Góc mở đợc tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các nửa hình sin).
Giả thiết T5 , T6 đang dẫn cho dòng chảy qua VF = Vc ; VG= Vb;
Uc=
+ cho xung điều khiển mở T1 .thyristor này đợc mở vì Va>0 sự mở
6
của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Va> Vc . Lúc này T6 và T1 cho dòng
chảy qua, và điện áp trên tải là:
Ud=Uab=Va-Vb;
* Khi = 1 =
Khi = 2 = 3
+ cho xung điều khiển mở T2 khi T2 mở nó làm cho T6 bị khóa lại
6
tơng tự trên .
Quá trình cứ tiếp tục nh vậy, mỗi van đợc đa xung vào mở sau
Ta có biểu thức tính toán sau:
6
điện áp trung bình trên tải : Ud=
2
5
+
6
2U 2 sin d =
+
6
1
T;
3
3 6
cos
điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van: Unmax= 6U 2 ;
dòng điện chảy qua các van là
: IT = Id/ 3;
nhận xét:
sơ đồ chỉnh lu cầu 3fa điều khiển có u điểm là có thể dễ dàng điều khiển các thyristor
đóng mở thông qua góc mở , và công suất của sơ đồ là khá lớn . Nhng bên cạnh đó
nó có những hạn chế nhất định nh : chất lợng điện áp ra xấu phụ thuộc vào góc mở
và hiện tợng trùng dẫn. Sơ đồ này chỉ nên dùng với yêu cầu công suất lớn mà không
quan tâm đến chất lợng áp ra ! .
3. Bộ băm xung áp một chiều
1. Giới thiệu chung
Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện
áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi đợc.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp trị số trung bình U tb của các xung
điện áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không đến trị số lớn nhất bằng điện
áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 < Utb E.
5
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện áp trung
bình trên tải Utb đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của nguồn điện: E < U tb <.
Bộ băm xung áp một chiều đợc coi nh là một công tắc tơ tĩnh đóng mở liên tục một
cách chu kỳ. Nó đợc sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trong truyền động
máy cắt gọt, trong giao thông đờng sắt, ôtô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ
nghệ điện hoá...
Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lợng ít hơn so với phơng
pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trờng vì tham số điều
chỉnh là thời gian đóng mở để đặt hoặc cắt nguồn trên tải, kích thớc nhỏ. Tuy nhiên bộ
băm xung áp có nhợc điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán
tính của qúa trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín. Nếu tần số đóng
mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến.
2. Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ giảm
áp.
Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay bằng tiristo đợc điều khiển đóng mở một cách chu kỳ. Khi làm việc ở chế độ giảm áp bộ băm xung
áp một chiều H đợc đặt nối tiếp giữa nguồn điện áp một chiều E và phụ tải nh trên
hình vẽ.
a) Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb.
Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E. Còn khi H ngắt điện
thì u = 0.
Sơ đồ nguyên lý:
H
R
E
U
L
Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:
T
T
T
1
1 d
U tb = udt = Edt = d E = E
T0
T 0
T
6
với Tđ là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung T là chu kì băm, hay chu kì
xung =
Td
là hệ số lấp đầy xung áp còn gọi là tỉ số chu kì: ta có 1.
T
Bằng cách biến đổi trị số của hệ số ta nhận đợc các trị số khác nhau của điện áp
trung bình của điện áp trung bình Utb trên phụ tải.
Có thể cho biến đổi bằng hai cách:
1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện T đ của bộ băm, ta có bộ băm
tần số cố định.
2 - Cố định thời gian đóng điện Tđ, biến đổi chu kì băm T, ta có bộ băm tần số biến
thiên.
Nếu Tđ = 0 thì = 0 ta có Utb = 0 lúc này bộ băm thờng xuyên ngắt mạch. Khi Tđ =
T, ta có =1 và Utb = E, bộ băm thờng xuyên đóng mạch điện. Bộ băm xung áp một
chiều thờng đóng điện và ngắt điện liên tục với tần số cao (200 ữ 500Hz) nên thờng là
một khoá bán dẫn.
b) Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng transistor
Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài kilohert. Các
tranzito không cần mạch để khoá lại nh tiristo nên rất đơn giản và có thể làm việc với
tần số tơng đối lớn. Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt tới tần số băm từ
10 đến 100 kHz một cách dễ dàng. Khi dùng bộ băm xung áp có thể không cần dùng
cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ
san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi.
Nhợc điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt cỡ vài
kilôoát đến vài chụ kilôoát là cùng.
Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito.
K
Chỉnh lu
không điều
khiển
L2
C1
D
Ld
Tải
Rd
7
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên
tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các
xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh đợc. Điện áp Utb này đặt vào
phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0
là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các
hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới
hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy
tránh đợc Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt
càng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu
vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đợc bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích
hợp( dới 1KHz). Thực tế thờng dùng tần số băm khoảng 400Hz ữ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là
Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn
hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số
đóng mở thấp (dới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 10->100Khz,có giá thành rẻ
hơn,tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhng Tiristor
lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor
4.So sánh các phơng án :
từ các phân tích ở trên ta thấy khi dùng các phơng pháp chỉnh lu 1 pha hay 3 pha điều
khển không đối xứng thì hệ số đập mạch của điện áp ra rất lớn nên ta sẽ không dùng
các phơng pháp này .
8
với phơng pháp dùng chỉnh lu điều khiẻn hoàn toàn ta thấy vấn đề điều khiển các van
Thysistor tơng đối phức tạp và bộ điều khiển cồng kềnh đồng thời khi góc mở thay đổi
thì chất lợng điện áp ra cũng thay đổi nhiều .Với bộ băm xung kết hợp với chỉnh lu
không điều khiển do ta có thể băm vơi tần số rất cao nên đặc tính lọc sẽ tốt hơn đồng
thời việc điều khiển cũng dễ dàng hơn.
Do yêu cầu của bộ ổn áp một chiều công suất nhỏ nên ta sẽ chọn phơng án dùng
chỉnh lu không điều khiển kết hợp với bộ băm xung áp một chiều .Phơng pháp này có
u điểm là dùng các van Diode rẻ tiền hơn các van Thysistor đồng thời việc điều khiển
dễ dàng hơn do ta không cần bộ đồng pha , dịch pha và ta chỉ điều khiển một van
điều khiển hoàn toàn .
Chơng 3
Tính toán mạch lực
Trong chơng trớc ta đã chọn đợc sơ đồ mạch lực cho bộ ổn áp nh sau :
Máy biến
áp
Chỉnh lu
không
điều
khiển
Bộ băm
UR = 24 VDC
Bộ điều
chỉnh
dòng
Bộ lọc
Ta có sơ đồ mạch lực nh sau :
T1
+
220 V
T2
L
24VDC
+
MBA
60VDC
D0
C1
C2
0
Trong mạch lực nh trên T1 làm việc ở chế độ bão hoà nh một khoá đóng cắt , T2 làm
việc ở chế độ tuyến tính để ổn định áp ra
9
-
1. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp
Máy biến áp công suất cỡ vài kVA thuộc loại MBA công suất nhỏ, sụt áp trên điện trở
tơng đối lớn, khoảng 4% , sụt áp trên điện kháng ít hơn cỡ 1,5% . Điện áp sụt trên hai
Diode nối tiếp khoảng 2 V do đó ta có điện áp chỉnh lu lúc không tải sẽ là : Ud0 =
60.1,055 + 2 = 65,3 V
Trị số hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp MBA :
U2 =
Tỷ số biến áp :
m=
Ud0
3 6
= 28V
U2
28
=
= 0,127
U1 220
+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
2
.Id = 32,66 A
3
I2 =
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I1 = m.I2 =4,15 A
Công suất của MBA : S = 3.220.4,15 = 2740 W
Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
2. Tính toán mạch từ MBA
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc tính theo công thức:
Q=Kì
S ba
cì f
Trong đó :
k: Hệ số kinh nghiệm (thờng lấy K=5,8ữ6,4).Với MBA khô lấy K=6.
c: Số trụ (c=3).
f: tần số (f=50 Hz).
Sba: Công suất biểu kiến MBA (VA).
Thay số vào ta có :
Q = 6ì
25,2 ì 10 3
= 77,8(cm 3 )
3 ì 50
Chọn Q=78 (cm2)
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic 310 có bề dày là 0,35 mm
tỷ trọng b=75 kg/dm3
tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic 310 : 0,35(mm)
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:
10
l = ì
4ì
Thq
Trong đó :
+Thq :Tiết diện hiệu quả Thq=Q.
+ :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp, thờng bằng
1,15ữ1,35.Ta chọn =1,2.
- Suy ra :
78
3,14
= 26(cm)
1,2
4ì
l = 3,14 ì
b/ Tính trọng lợng của trụ:
Gt=cìSTìbìl
Trong đó :
+c: Số trụ (c=3).
+ST: Tiết diện trụ: ST=Q=78 (cm3).
+b: Tỷ trọng tôn silic (b=7,5kg/dm3).
Vậy trọng lợng của trụ là :
GT=3ì0,78ì7,5ì2,6=45,6 (kg).
c/ Tính gông:
2
l
l
b
a
2
a
2
a
Chọn a=9,5 cm2.
lG = 26x2 -9,5 = 42,5 (cm)
TG=Q=78 (cm2).
Trọng lợng gông:
lG
Gg=tìTGìbìlG
Trong đó:
t: Số gông (t=2)
TG: Tiết diện gông.
11
b:: Tỷ trọng tôn silic.
lG: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
Gg= 2ì0,78ì7,5ì4,35=50 (kg).
Trọng lợng lõi thép MBA:
G=GT+Gg=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
78
= 704 (lá)
9,5 ì 0,35 ì 10 1
-Số lá trụ :
3ì
-Số lá chắn đầu ngắn:
2ì
-Số lá chắn đầu dài:
1ì
78
= 470 (lá).
9,5 ì 0,35 ì 10 1
78
= 235 (lá).
9,5 ì 0,35 ì 10 1
3.Tính chọn các van công suất cho sơ đồ mạch lực :
-
chọn transistor công suất :
Việc chọn van bán dẫn mạch lực đợc chọn theo các thông số cơ bản của van.
Hai thông số cơ bản để chọn van là:
+ Giá trị dòng trung bình lớn nhất của van (I tb max); đây là giá trị dòng lớn nhất mà
van có thể chịu đợc ứng với chế độ làm mát tốt nhất cho van (chế độ lý tởng). Trong
thực tế, không đạt đợc điều kiện làm mát lý tởng nên việc sử dụng van không đợc quá
giá trị này.
+ Giá trị biên độ điện áp ngợc lớn nhất cho phép đặt lên van (Ungợc max ); nếu vợt
quá giá trị này thì van bị chọc thủng.
Nh đã đề cập ở phần trớc, ta dùng các van bán dẫn là các tranzito công suất; tức
là các van điều kiển hoàn toàn. Xuất phát từ đặc điểm công nghệ, ta chọn điều kiện
làm mát là làm mát cỡng bức bằng quạt gió, với các cơ cấu: Van + cánh tản nhiệt
chuẩn + tốc độ gió (12 m/s). Vì vậy:
Itb van thực= (0,4 ữ 0,5) Itb van max.
Chọn tranzito công suất
Từ biểu thức dòng trung bình qua van xác định ở trên, ta có:
Itbvan max = 40 A
Từ biểu đồ dạng sóng điện áp đặt trên van, ta thấy điện áp ngợc lớn nhất đặt lên
van là US; tức là :
12
Ung van max = US = 48V.
Từ kết quả hai thông số tính toán đợc ở trên ta chọn loại tranzito công suất loại
BUT 90 có các thông số sau:
Mã hiệu
UCE ,V
BUT 90
200
UCE0
V
125
, UCE..sat , V
1,2
IC, A
IB , A
toff, às
ton, às ts, às
Pm, W
50
7
0,4
1,2
250
1.5
Chọn Diode (D0 ,..., D6)
Biểu thức dòng trung bình qua các đi-ốt D 0 là: ID = Id.(1-) ID max thực = Id max =
25A. Cũng từ đồ thị dạng sóng của diode ta thấy rằng điện áp ngợc lớn nhất đặt lên
các diode D1 ,...,D6 là Umi = 6U 2 = 69 V . Trị trung bình dòng chảy trong các Diode :
ID =
Id 40
=
= 13,3A
3
3
Vậy ta chọn loại B50 do hãng Liên Xô cũ chế tạo B50-1 có các thông số:
Mã hiệu
Itb , A
B 50
50
4. Thiết kế mạch trợ giúp cho Transistor.
Umax , V
100
Thực tế là tổn hao chuyển mạch của tranzitor công suất lớn hơn rất nhiều so
với trờng hợp nó làm việc với tải xác định. Mặt khác, so với tiristor khả năng chịu quá
tải của tranzitor kém hơn. Trong trờng hợp cụ thể là tranzitor phải làm việc nh một
khoá điện tử đóng cắt mạch điện với tần số đóng cắt lớn, thì tổn thất năng lợng khi
chuyển trạng thái là đáng kể, vì năng lợng tổn thất tỉ lệ với tần số hoạt động của
Tranzitor. Vì vậy, để giảm nhỏ tổn thất khi chuyển mạch và tránh cho tranzitor làm việc
quá nặng nề thì ngời ta sử dụng thêm các mạch trợ giúp.
Các phần tử chủ yếu của mạch trợ giúp là L 2 và C2 . Chức năng của L2 là hạn
chế sự tăng của ic trong quá trình tranzitor đóng mạch, còn tụ điện C 2 có tác dụng làm
chậm sự tăng của VCC trong quá trình tranzitor cắt mạch.
Sơ đồ mạch trợ giúp nh sau:
Tải cảm
D2
DIODE
L1
1uH
Q1
NPN
13
R1
1k
D1
DIODE
R2
1k
C1
1uF
Khi biểu diễn mạch lực trên sơ đồ nguyên lý ta không đa thêm các mạch trợ giúp
vào nhằm đơn giản hoá mạch nhng thực tế mỗi tranzitor sử dụng đều thiết kế mạch
trợ giúp đi kèm.
5.Tính lọc :
áp ra sau bộ băm có dạng nh sau :
U (V)
U
T1
Phân tích theo chuỗi Fourier ta có:
Ud (t) = .U +
t (s)
T1
T
U
2
U
4
U
6
sin(2.). cos( .t) +
sin( 4). cos( .t) +
sin(6). cos( .t) + ....
T
2
T
3
T
Để độ đập mạch của điện áp k đm 0,01 ta có bộ lọc phải thoả mãn những yêu cầu
sau :
-
ta dùng bộ lọc loại k nh sau :
sơ đồ mạch :
L
C/2
14
C/2
Ta có thể sử dụng sơ đồ trên , tần số cắt của bộ lọc nh sau :
C =
2
LC
từ (0 ữ C ) là giải thông còn từ (C ữ ) là giải chắn
ta giả thiết đối với sóng hài tần số thấp mà X L >> XC thì dòng xoay chiều chảy qua L
và C sẽ quyết định bởi XL và có :
Im =
A 2U 2
n..L
điện áp nhấp nhô :
U =
Im
A. 2.U 2
=
n..C (n) 2 LC
tỷ số nhấp nhô :
k=
ta lấy A =
U
2U 2
=
A
(n) 2 LC
U
sin( 2.) và n = 1 với tần số 10 kHz . Từ đó ta có
LC =
0,586
= 1,4.10 8
3 2
( 2.10 ) .0.01
Chọn L =0,14 mH ta có C = 100àF
15
Chơng 4
Mạch điều khiển
Mạch điều khiển ở đây là mạch tự động điều chỉnh để ổn định điện áp ra theo sự
thay đổi của tải và điện áp vào . Mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy sự thay đổi
của dòng điện tải phản hồi về và lấy sự thay đồi của áp lới để thay đổi độ rộng xung
điều khiển đặt lên Transistor .
Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển nh sau : khi dòng tải nhỏ ta điều chỉnh tỉ
số băm để cho áp ra bằng 24 V, khi tải tăng lên kéo theo sụt áp trên van Transistor
điều dòng giảm đồng thời sụt áp trên MBA và các van tăng lên làm cho áp ra thay đổi
do vậy ta phải thay đổi tỉ số băm để giữ cho áp ra không đổi ) và khi áp vào thay đổi
kéo theo sự thay đổi của áp ra ta phải thay đổi tỉ số băm để giữ cho áp ra không đổi .
Trong mạch điều khiển có những khối chính sau : khối tạo dao động làm nhiệm vụ
tạo ra xung dao động chuẩn . Khối tạo xung răng ca tạo ra dạng xung răng ca chuẩn
để tạo ra xung điều khiển . Khối lấy điện áp sai lệch có nhiệm vụ phát hiện sự thay đổi
của điện áp lới và lấy sai lệch so với điện áp chuẩn . Khối phản hồi áp lấy sự sai lệch
của áp rơi trên van điều dòng về để thay đổi độ rộng xung điều khiển nhằm mục đích
giữ áp ra không đổi . Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu chuẩn với các tín
hiệu đặt và tín hiệu phản hồi để có xung điều khiển . Khối khuếch đại làm nhiệm vụ
khuếch đại xung điều khiển để có xung có độ rộng đủ lớn .
Cụ thể phần điều khiển gồm có các khối chính sau :
1. Mạch tạo dao động:
+12V
R1
1
2
3
4
555
Gnd
Vcc
Trg Dis
Out Thr
Rst Ctl
8
7
6
5
R2
+
+
R1
2k
C1
Bộ tạo dao động Timer555
16
CT
Để tạo đợc xung vuông với tần số 10 kHz ta sử dụng vi mạch tạo dao động
Timer555 với các thông số cho nh trên:
Q :Trạng thái (mức logic)dầu ra tại thời điểm t,là đầu ra đảo của FF trong vi
mạch
Nguyên lý hoạt động:
Khi Q =1 thì Transistor dẫn bão hoà ,tụ dẫn điện qua Transistor nên điện áp trên
tụ Uc giảm
U
1
Khi tụ Uc giảm tới Uc= Vcc thì
3
t1
Q =0.
t2
t
T
2
Khi Uc tăng tới Uc= Vcc + thì Q
3
=1 Transistor lại dẫn bão hoà.
t
Khoảng thời gian t1 phụ thuộc vào
Biểu đồ dạng sóng của Timer555 ở chế
độ đa hài phiếm định
nạp,với nạp=(R1+R2)C
Khoảng thời gian t2 phụ thuộc vào phóng ,với phóng=R2C
Qua tính toán ta đợc
t1=(R1+R2)Cln2
Ta có với C = 0,04808 àF ta có R2 = 100 (thời gian phóng càng nhỏ càng tốt)
Từ đó ta có R1 = 3 k
2. Khâu tạo điện áp răng ca
a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp của bộ phát xung chủ đạo đợc đa vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng
ca. Do điện áp ra của khuếch đại tuyến tính phụ thuộc vào quan hệ:
Ura= K0 . (-UII + U+)
Trong đó: U+ là điện áp đặt ởC1
cửa không đảo;
R4
K0 là hệ số khuếch đại của bản thân OP2 và K0 là rất lớn.
+E
RX2
DZ
R5
( II )
-E
D3
OP2
( III )
17
+E
R6
Mạch tạo xung răng ca
Khi UII < 0 thì D3 thông dẫn đến UD = ( U+ - UII ) > 0
Suy ra UIII > 0 và tụ C1 đợc nạp thông qua R5 và D3 về OP1 với dòng nạp:
IC= I2 - I2
Trong đó: IC , I2 , I2 , đợc kí hiệu nh trên hình vẽ.
I2 =
I 2' =
Với:
E
15
=
R4 + R x 2 R4 + R x 2
0 U II + U D 3 13,5
=
;
R5
R5
UD3 là điện áp rơi trên D3. Chọn bằng 0,5 V
UdII= (E- 2)= 13 V
Điện áp UIII chính là điện áp trên tụ C1
Ur = UC =
1
1
13,5
15
. I C dt =
. (
)dt
C1
C1
R5
R4 + R X 2
Ur = UC = (
13,5
15
t
).
R5
R4 + R X 2 C1
- Diot ổn áp DZ có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá UDZ. Chọn loại Diod có
UDZ = 15V
Nếu gọi tn là thời gian nạp của tụ thì ta có phơng trình sau:
UZ = (
t
13,5
15
). n
R5
R4 + R X 2 C1
Khi UII >0 D3 khoá Ura = 0 tụ C sẽ phóng điện về âm nguồn của OP2
Với dòng điện phóng Ip =
E
R4 + R X 2
Điện áp trên tụ giảm dần theo hàm :
Ur = UZp =
15
15t
dt + U DZ =
+U DZ
( R4 + R X 2 ).C1
( R4 + R X 2 ).C1
Gọi tp là thời gian phóng của tụ điện ta có :
18
Ur =
15t p
( R4 + R X 2 )C1
+ U DZ
(2)
với UDZ =10V và tp=9,5ms nh đã chọn, từ (2) ta có:
15t p
( R4 + R X 2 )C1
= U DZ
15.9,5.10 3
= 10
( R4 + R X 2 )C1
(R4 + RX2)C1 = 14,25.10-3
(3)
từ (1) ta có:
(
13,5
15
).0,5.10 3 = 10
R5 .C1 ( R4 + R X 2 )C1
thay (3) vào (1) ta có:
(
13,5
15
).0,5.10 3 = 10
3
R5 .C1 14,25.10
13,5
= 20.10 3 R5C1 = 0,675.10-3
R5 .C1
chọn C7 = 0,47àF R5 = 1,43(K) , chọn R5 = 1,5(K)
từ (3) chọn R4 = 10(K)
ta có: (10.103 + RX2) = 30,3(K) RX2 = 20,3(K)
điều chỉnh biến trở để có RX2 = 20,3(K)
-Dòng qua Diod D3: I2 =
13,5
13,5
=
= 8,66 (mA)
R 5 1,5.10 3
Chọn linh kiện :
OP2 : àA741 có các thông số:
Ung= 3ữ22V; UnF= 15 V; UdF= 30 V; Ko=5.106;
[t]=55ữ1250C;
Ira=25 mA;
Zra=60 ;
En=15 V;
du
= 0,5 V.
dt
D3 : D-1001 có các thông số :
( III )
R6
I = 1A ; Ung = 200V ; U = 0,5V
-E
3. Khâu so sánh.
( IV )
OP3
+E
Uref
R7
19
+E
RX3
Upa2
P1=100 mW;
Zvào=300 K;
a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp răng ca đợc đa vào cửa đảo của OP3.
- Khi UD = (Udk2-UIII) > 0 thì UIV= (E-2) (V)
- Khi UD=(Udk2-UIII) < 0 thì UIV= - (E - 2) V
Kết quả là ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OP3 có một dãy xung vuông liên tiếp.
Uphd là tín hiệu lấy từ bộ phản hồi dơng dòng đợc chuyển thành tín hiệu áp đa về .
Upha là tín hiệu lấy từ sự thay đổi của áp lới qua bộ phân áp đa đến .
Chỉnh RX3 sao cho áp chuẩn Uref = 3 V
U
15 V
UĐK
t
Ura
T
T1
+E
t
4.Khâu lấy áp sai lệch :
Để lấy sự thay đổi của điện áp lới ta làm nh sau:
20
-E
Khi áp vào chuẩn là 220VAC ta có áp chỉnh lu ra chuẩn là 60 VDC và có áp sai lệch u
= 0 V ; khi áp vào thay đổi ( biến động 10% ) ta có sai lệch khác 0
áp từ đầu vào đa đến
Bộ phân áp
R1
R4
R3
-E
R2
OP3
+E
R5
Uref
+E
RX3
Đầu vào của bộ phân áp ta nối vào mạch lực . Nguyên tắc hoạt động của khâu này
nh sau : khi áp vào là 220V chuẩn thì khâu này cho áp ra bằng 0V khi áp vào tăng lên
nó cho áp ra âm đủ lớn để bù lại áp điều khiển sao cho áp ra không đổi .
Ta chọn các thông số : với R1 và R2 ta chọn sao cho khi áp vào là 220V thì có áp ra
bằng 6V , ta chọn R1, R2 khá lớn để hạn chế dòng điện cụ thể : chọn R1 = 900k ;
R2 = 100k ; con trợt trên RX3 đặt ở vị trí sao cho Uref = 6 V (với E = 15 V)
Khi áp vào là 220V+10% thì áp vào bộ băm là 66V do đó để đảm bảo áp ra bằng 24V
ta phải có hệ số băm lúc này là : =
24
= 0,3636 hay áp điều khiển lúc này là
66
uđk = .15 = 5,45 V
Tơng tự ta có lúc áp lới giảm 10% thì :
=
u dk
24
= 0,44
54
= .15 = 6,55V
Vậy bộ lấy áp sai lệch phải thoả mãn : khi áp vào tăng lên 66V thì có áp ra bằng
u = - (6 5,45 ) = - 0,55V
và khi áp vào bằng 54 V thì :
u = - (6 6,67) = 0,55V
21
Từ sơ đồ bộ phân ta có : khi áp vào bằng 66V thì áp ra của bộ phân áp là :
u=
66
= 6,6 V
10
khi đó áp ra phải bằng 0,55 V do đó ta có tỉ số
R 4 0,55
=
= 0,83
R3 0,66
chọn R4 = 55 K ta có R3 = 66 K .
chọn R5 = 10 K (điện trở hạn chế dòng ) .
5. Khâu phản hồi dòng điện
dòng điện đợc lấy qua các điện trở hạn chế dòng sau đó đa vào đầu vào của
Transistor điều chỉnh dòng. Nguyên tắc hoạt động của nó nh sau : khi dòng tải tăng
lên dòng phản hồi về tăng đợc đa vào cực cổng của Transistor dòng làm cho T2 làm
cho nó mở lớn hơn và cho dòng qua lớn hơn .
khâu này bao gồm các điện trở phân dòng đợc xác định nh sau :
Dòng tải
Uv
T2
Rd
R1
IB2
R2
D814
T0
IB0
Các điện trở đợc mắc song song với tải và đợc xác định :
Khi dòng tải nhỏ cỡ 2A thì dòng I2 phải đủ lớn để cho T2 làm việc ở vùng tuyến tính
và khi dòng tải lớn ( = 40A) thì dòng I 2 phải không lớn hơn giá trị dòng bão hoà để T2
không rơi vào chế độ bão hoà . Cụ thể với Transistor đợc chọn ta có dòng bão hoà
Ibh = 5 A và có hệ số khuếch đại dòng 2 = 10
Khi phụtải thay đổi thì dòng điện tải thay đổi do đó dòng I B2 thay đổi
IB 2 =
It
2
Các điện trở đợc tính :
22
R1
U V UR 60 24
=
= 8,18
1,1.IB 2 max
1,1.4
chọn R1 = 8
dòng điện lớn nhất qua đèn T0 là
IT 0 max =
U V UR
= 4,5A
R1
6.Khâu phản hồi áp :
Khi dòng tải càng lớn làm cho T2 càng dẫn và sụt áp trên van này càng giảm do đó
khi áp vào không thay đổi thì áp ra sẽ tăng lên do vậy ta phải thay đổi giá trị áp vào để
giữ cho áp ra không đổi .
URa =24VDC
R1
Uph
Khi áp ra bằng 24 ta chọn Uph
R2= 3V do đó điện trở R1 lấy bằng 23 K và R2 = 1K
7. Khâu khuyếch đại :
Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ nh sau:
15V
+V
Uvào
+
TL084
Ura
+V -15V
R1
R2
Bộ khuếch đại
Với khuyếch thuật toán trên ta dễ dàng tính đợc hệ số khuyếch đại của mạch
K=
R1 + R2
R2
Thay đổi các thông số R1 và R2 của mạch ta sẽ có tơng ứng với 1 điện áp đầu
vào sẽ có một điện áp đầu ra có độ lớn gấp K (tuỳ ý)lần điện áp đầu vào .
8. Khối nguồn điện áp chuẩn:
23
LM78L15CH
1
3
+ 15V
2
C1
u2
C2
C3
-
Điện áp u2 đợc lấy từ lới vào qua biến áp phụ (Có thể ghép chung với biến áp chính )
sau đó qua bộ chỉnh lu công suất nhỏ và đa vào đầu vào của vi mạch ổn áp
LM78L15CH với các tụ lọc nh sau :
C1 = 1000àF
C2 = 330nF
C3 = 100nF
Ngoài điện áp chuẩn +15 V ta còn phải tạo ra áp chuẩn 15 V cung cấp cho bộ so
sánh và bộ khuếch đại.
LM78L15CH
1
u2
2
- 15V
3
C1
C2
C3
-
24
