Giao trinh bai tap chuong 1 ltdknc

Chương 1:

MỞ ĐẦU

I.1 KHÁI NIỆM CHUNG:
1. Bộ biến đổi:
Điện tử công suất (ĐTCS), tên tiếng
anh là Power Electronics (Điện tử công suất
lớn), còn được gọi “Kỹ thuật biến đổi điện
năng“, là một bộ phận của điện tử công
nghiệp, có đối tượng là các mạch biến đổi
các dạng của năng lượng điện để cung cấp
cho các tải công nghiệp như sơ đồ khối hình
I.1.1, trong đó:
- Nguồn ở đây có các dạng quen thuộc
như xoay chiều (lưới điện một pha, ba pha)
hay một chiều (ắc qui), có thông số không
đổi.

BỘ BIẾN ĐỔI
NGUỒ N

MẠCH
ĐIỆ N TỬ
CÔ NG SUẤ T

TẢ I

ĐIỀ U KHIỂ N

Hình I.1.1 : Sơ đồ khối thiết bò ĐTCS

- Mạch ĐTCS, còn gọi là mạch động lực, sẽ biến đổi điện nguồn thành dạng có thông số
(điện áp, tần số) sao cho thích hợp với tải công nghiệp hay để kiểm soát dòng năng lượng cung
cấp cho chúng. Nhờ đó ta có thể nâng cao chất lượng hay điều khiển hoạt động của tải công
nghiệp này. Mạch ĐTCS và khối điều khiển nó tạo nên Bộ Biến Đổi (BBĐ - converter). Trong
thực tế, để khảo sát mạch điện tử công suất, ta chỉ cần biết quy luật điều khiển các linh kiện điện
tử tác động tạo nên mạch này. Với một mạch động lực có thể có nhiều sơ đồ điều khiển để tạo ra
những đặc tính ngỏ ra khác nhau.
Tải của các BBĐ có nhiều loại, có thể là động cơ điện (một chiều hay xoay chiều); các
thiết bò điện nhiệt như đèn có tim, lò điện trở, hay các cuộn dây của lò cảm ứng; thiết bò điện hóa
như thiết bò điện phân, xi mạ … Tất cả đều có thể quy đổi về các phần tử cơ bản của mạch điện
như R, RL, RLE, RC…
Có các loại BBĐ sau:
- BBĐ AC – DC ( xoay chiều – một chiều ) : là các bộ chỉnh lưu, cung cấp áp một chiều
từ nguồn xoay chiều.
- BBĐ AC – AC ( xoay chiều – xoay chiều ) : bao gồm các bộ biến đổi điện áp xoay
chiều và biến đổi tần số ( biến tần ).
- BBĐ DC – DC ( một chiều – một chiều ) : mạch biến đổi điện áp một chiều.
- BBĐ DC – AC ( một chiều – xoay chiều ) : mạch nghòch lưu.
2. Ngắt Điện Điện Tử (NĐĐT) hay Bán Dẫn (NĐBD):
Vì là BBĐ năng lượng điện, ngoài yêu cầu về đặc tính của ngỏ ra, hiệu suất là yếu tố
quan trọng. Vì vậy mạch ĐTCS giới hạn ở các sơ đồ sử dụng linh kiện điện tử tác động làm việc
ở chế độ đóng ngắt, tương ứng hai trạng thái:
ON : đóng mạch (ví dụ transistor ở chế độ bảo hòa), dòng qua mạch cực đại, sụt áp trên
linh kiện công suất bé nhất.
OFF : ngắt mạch (ví dụ transistor ở chế độ khóa), dòng qua mạch bằng không khi áp trên


linh kiện công suất lớn.
Kết quả của chế độ hoạt động này là tổn hao năng lượng trên linh kiện điện tử công suất

là rất bé dẫn đến hiệu suất của mạch ĐTCS luôn rất cao : lớn hơn 90 %, khác hẳn ở các mạch
điện tử dùng trong xử lý tín hiệu hay thông tin.
Để việc khảo sát các mạch ĐTCS có giá trò tổng quát, người ta quy các linh kiện điện tử
được sử dụng trong ĐTCS về ba dạng linh kiện lý tưởng gọi là Ngắt Điện Điện Tử hay Ngắt
Điện Bán Dẫn (NĐBD - vì các linh kiện này chủ yếu làm bằng bán dẫn). Đó là : diod, SCR và
ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBD1C), có các đặc tính như hình I.1.2. Các đặc tính này rất lý
tưởng: sụt áp khi dẫn điện bằng không, hở mạch khi khóa. Ngắt diện bán dẫn không tiêu thụ
năng lượng điện làm cho hiệu suất của BBĐ bằng 1 nếu ta không có thêm phần tử thụ động trong
mạch. Sự lý tưởng hóa này giúp cho việc khảo sát mạch ĐTCS trở nên đơn giản, dể dàng. Trong
đa số trường hợp nó không ảnh hưởng đến kết quả tính toán.
NĐBD còn được gọi là ngắt điện công suất (power SWitch), các khóa hay van.

G

Diode

NDBD1C

SCR

Hình I.1.2: Các loại ngắt điện bán dẫn.

- DIODE (chỉnh lưu): Phần tử dẫn điện một chiều có hai trạng thái:
ON : khi phân cực thuận: VAK > 0, có thể xem sụt áp thuận VF = 0, dòng qua mạch
phụ thuộc nguồn và các phần tử thụ động khác.
OFF : khi phân cực ngược: VAK < 0, có thể xem như hở mạch.
- Ngắt điện bán dẫn một chiều (NĐBD1C), gọi tắt là ngắt điện hay TRANSISTOR có
hoạt động như sau:
OFF : Ngắt mạch khi không có tín hiệu điều khiển : G = 0. Cũng như các
transistor, NĐBD1C không cho phép phân cực ngược (VS luôn luôn > 0) .

ON : NĐBD1C trở nên dẫn điện (đóng mạch) khi có tín hiệu điều khiển: G ≠ 0 và
trở về trạng thái ngắt mạch khi mất tín hiệu G.
NĐBD1C có hai loại chính : BJT tương ứng tín hiệu G là dòng cực B, và MOSFET công
suất với G là áp VGS .
- SCR (Silicon Controlled Rectifier – Chỉnh lưu có điều khiển): Đây là linh kiện thường
gặp trong mạch ĐTCS, cũng có hai trạng thái:
OFF : Có thể ngắt mạch cả hai chiều (VAK > 0 và VAK < 0) khi không có tín hiệu
điều khiển : G = 0.
ON : SCR trở nên dẫn điện (đóng mạch) khi có tín hiệu điều khiển: G ≠ 0 và phân
cực thuận VAK > 0. Điểm đặt biệt là SCR có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện: nó không cần
tín hiệu điều khiển G khi đã ON, SCR chỉ trở về trạng thái ngắt khi dòng qua nó giảm về 0.


Để ý các NĐBD trên chỉ làm việc với một chiều của dòng điện, trong khi các linh kiện
điện tử công suất thực tế có thể dẫn điện cả hai chiều, lúc đó nó sẽ được biểu diễn bằng tổ hợp
các NĐBD trên.
Vì các ngắt điện chỉ có hai trạng thái, luật điều khiển chúng có thể biểu diễn bằng một
hàm logic, chỉ có hai trạng thái ON – OFF hay Low – High.
GHi NHỚ - NĐBD: chỉ có hai trạng thái: ON (đóng) và OFF (ngắt) phụ thuộc vào tín
hiệu điều khiển và tình trạng mạch điện lúc đó.
- NĐBD: là các linh kiện điện tử công suất lý tưởng, cần lưu ý hiệu chỉnh số
liệu tính toán khi áp dụng vào thực tế.
3. Sơ lược về sự phát triển của ĐTCS:
Các bộ chỉnh lưu tónh (không phải là máy điện) đã xuất hiện từ khi có lưới điện xoay
chiều để làm nguồn cho tải một chiều. Khi đó, người ta sử dụng các chỉnh lưu dùng oxit kim loại
hay selen ở áp thấp và các đèn chân không hay hơi kim loại ở áp cao. Sau đó, với sự xuất hiện
của đèn chứa khí (thyratron), các khảo sát về chỉnh lưu và chỉnh lưu điều khiển pha đã hoàn
chỉnh. Tuy nhiên với sự xuất hiện của diod bán dẫn dùng silic và SCR thì ứng dụng điện tử công
suất mới bùng nổ cùng với sự phát triển của công nghiệp điện tử. Việc sử dụng các bộ chỉnh lưu
SCR để điều khiển tốc độ động cơ một chiều cùng với các bộ điều khiển đo lường dùng transistor

hay vi mạch đã làm cơ sở cho việc tự động hóa các máy móc công nghiệp trong những năm 60 –
70. Sau đó sự phát triển của transistor (BJT và MosFET, IGBT) cùng với vi mạch có độ tích hợp
cao cho ta khuôn mặt của điện tử công suất ngày nay với việc sử dụng rộng rãi bộ biến tần điều
khiển động cơ xoay chiều trong công nghiệp và các bộ cấp điện một chiều theo nguyên lý đóng
ngắt trong hầu hết các thiết bò điện tử.
I.3 KHẢO SÁT MẠCH ĐTCS:
Đầu vào khảo sát : Mạch ĐTCS + tín hiệu điều khiển các NĐBD + đặc tính phụ tải. Cùng
sơ đồ mạch động lực, hoạt động của mạch sẽ thay đổi với tín hiệu điều khiển hay tải khác nhau.
Đầu ra: Hoạt động của mạch theo thời gian: bao gồm trạng thái của các NĐBD, dạng áp,
dòng trên các phần tử trong mạch (NĐBD, các phần tử thụ động, tải). Từ các hàm số theo thời
gian này, ta có thể suy ra các đặc trưng áp, dòng, năng lượng qua các phần tử và đánh giá được
chất lượng hoạt động của mạch.
1. Các đặc trưng áp, dòng: Bao gồm:
Vì các linh kiện tác động của mạch ĐTCS chỉ làm việc trong chế độ đóng ngắt, điện áp,
dòng điện qua các phần tử không có dạng chuẩn (một chiều phẳng hay hình sin) mà là những
dạng xung có chu kỳ, cần có những đặc trưng thích hợp. Gồm có:
- Giá trò cực đại: UMAX, IMAX : Là giá trò tức thời lớn nhất, dùng để tính chọn đònh mức
một số phần tử thụ động ( ví dụ áp trên tụ điện ), hay phần tử tác động ( áp phân cực ngược chỉnh
lưu ) hay bảo vệ ( dòng cực đại ).
- Giá trò trung bình UO, IO: Là số đo căn bản của điện áp (dòng điện) một chiều. Nó cho
biết tác dụng trung bình của điện áp (dòng điện) trên tải khi quan hệ này là bậc 1, ví dụ điện
lượng là hàm bậc 1 của dòng điện: q = i.t, sẽ tỉ lệ với dòng trung bình qua mạch IO, momen
động cơ một chiều MO sẽ tỉ lệ với dòng trung bình qua phần ứng IO…
- Giá trò hiệu dụng UR, IR: Là số đo liên quan đến tác dụng trung bình của điện áp (dòng
điện) trên tải khi quan hệ là bậc 2. Tác dụng Joule (phát nhiệt) của dòng điện trên điện trở là ví


dụ cơ bản của quan hệ bậc 2. Giá trò hiệu dụng cũng được nhắc đến khi đặc trưng tổng thể một
tín hiệu xoay chiều.
Các biểu thức cho dòng điện trung bình và hiệu dụng:

I0 =

1
i (t )dt
T ∫T

IR =

1
[i(t )]2 dt <I.3.1>
∫
T
T

Các biểu thức cho điện áp UO, UR cũng có dạng tương tự.
Các biểu thức cho điện áp VO, VR cũng có dạng tương tự.

i(A)
1

Ví dụ I.3.1: Tính thời gian t để nạp được điện lượng
Q = 6 Ah (ampe giờ) cho một accu từ dòng điện dạng xung hình
t ( sec )
6
10
vd.I.2.1.
Giải: 6 Ah = 6 * 3600 = 21600 coulomb ( ampe.giây ). V ì
dòng điện i = 1 A trong thời gian có dòng ton = 6 sec và bằng 0 hình vd.I.3.1: dạng dòng nạp
trong thời gian còn lại của chu kỳ T = 10 sec, biểu thức cho điện accu trong ví dụ I.3.1

lượng Q T nạp trong một chu kỳ T là :
QT =

∫

10

0

i ⋅ dt =

∫

6

0

1 ⋅ dt = 6 coulomb.

Như vậy ta cần 21600 / 6 = 3600 chu kỳ T hay 3600 * 10 = 36000 sec = 10 giờ thì accu sẽ
nạp đầy.
Một cách tổng quát, để tính theo dòng trung bình Io, ta để ý:
QT =

∫

T

0

i ⋅ dt =

T
T

∫

T

0

i ⋅ dt = T ⋅ I O ,với I O =

Vậy điện lượng Q trong thời gian t: Q =

1
T

∫

T

0

i ⋅ dt .

T ⋅ IO
⋅ t = I O ⋅ t . Điện lượng Q bằng tích dòng
T

trung bình Io và thời gian nạp t . Tính bằng số:
IO =

1
T

∫

T

0

6

i ⋅ dt = 101 ∫ 1 ⋅ dt = 0.6 A. và
1

t = Q / Io = 36000 sec hay 10 giờ.

Theo ví dụ trên, vì điện lượng có quan hệ bậc nhất với dòng điện nên tác dụng của dòng
điện một chiều i(t) có dạng xung hình vd.I.2.1 có thể được tính toán nhanh hơn khi sử dụng giá trò
trung bình Io của nó.
Ví dụ I.3.2: Tính công suất trung bình trên tải điện trở R có dòng điện có dạng hình
vd.I.2.1 chảy qua.
Giải: Biểu thức tính công suất trung bình cho một chu kỳ :

Po = R ⋅ I R2 khi để ý đến công thức <I.3.1> để tính dòng hiệu dụng IR .
Vậy khi dòng thay đổi có chu kỳ, công suất trung bình trên tải R tỉ lệ với giá trò điện trở R
và bình phương giá trò hiệu dụng dòng điện , không phụ thuộc dạng dòng. Ta cũng có thể chứng
minh dễ dàng là công suất trung bình trên tải R bằng bình phương hiệu dụng điện áp chia cho giá

trò điện trở, giống như các quan hệ quen thuộc của điện một chiều hay xoay chiều hình sin.
GHi NHỚ - Trò trung bình là số đo đặc trưng của điện một chiều trong khi trò hiệu dụng
là số đo đặc trưng của điện xoay chiều.
- Tuy nhiên, công suất tiêu thụ của điện trở lại tỉ lệ với bình phương trò hiệu
dụng dòng, áp qua nó, không phụ thuộc dạng.
- Đối với tín hiệu một chiều phẳng, trò trung bình bằng trò hiệu dụng.


2. Sóng hài bậc cao và hệ số hình dáng:
Dạng dòng, áp ra cũng là thông số rất quan trọng. Các tải công nghiệp được thiết kế với
nguồn là một chiều phẳng hay hình sin trong khi các dạng áp, dòng cung cấp từ mạch điện tử
công suất là những dạng xung có chu kỳ. Các dạng áp dòng này đặc trưng một cách đầy đủ bằng
các thành phần Fourier.
a. Đònh nghiã các phành phần Fourier:
Một cách tổng quát, dòng áp của mạch ĐTCS là một dạng sóng có chu kỳ, có thể được
biển diễn chính xác bằng khai triển Fourier.

Hình I.3.1 Phân tích các thành phần Fourier (sóng hài) của tín hiện răng cưa (o). Các sóng hài bậc
1 (cơ bản) (a), bậc 2 (b), bậc 3 (c) và tổng của chúng (d) = (a)+(b)+c). Nhận xét: nếu chỉ sử dụng 3 thành
phần đầu tiên của khai triển Fourier, sai số giữa (d) và (o) còn khá lớn trong trường hợp này.

Các thành phần Fourier của một tín hiệu u(t) có chu kỳ T bao gồm thành phần một chiều
Uo là giá trò trung bình và các sóng hài un(t) – là những hình sin có tần số là bội số của tín hiệu
gốc như phân tích sau:
∞

∞

n =1

n=1

u(t) = U 0 + ∑ ( An sin nω t +Bn cos nω t) = U 0 + ∑ un với
2
An = ∫ u(t) ⋅ sin nω t ⋅ dt
T T

Vn =
trong đó :

An2 + Bn2

un = U n sin(nω t − ϕ n )

2
Bn = ∫ u(t) ⋅ cos nω t ⋅ dt và
T T
1 ∞ 2
−1 ⎡ An ⎤
2
U R = Uo + ∑ Un
ϕn = tg ⎢ ⎥
2 n=1
⎣ Bn ⎦

<I.3.2>

U0 : trò số trung bình ( thành phần một chiều ) của u(t)
ω : tần số góc của u(t) gọi là tần số cơ bản, có chu kỳ T=ω/2π .
un: sóng hài bậc n – có tần số nω

An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
Un , ϕn : biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n .
UR : Trò hiệu dụng của u(t).

b. Thành phần hữu dụng và đặc trưng dòng, áp:
Tải công nghiệp thường chỉ sử dụng một trong các thành phần Fourier của áp, dòng qua
nó, gọi là thành phần hữu dụng:
- Thành phần hữu dụng đối với tải một chiều là thành phần một chiều hay trung bình, ký
hiệu là UO hay IO. Đôi khi ta dùng chỉ số tb hay ave ở các ký hiệu.
- Thành phần hữu dụng đối với tải xoay chiều là sóng hài bậc 1 của phân tích Fourier hay


thành phần cơ bản. Đó chính là thành phần hình sin có tần số là tần số hoạt động của BBĐ.
Các thành phần còn lại là không mong muốn.
Độ sai lệch dạng sóng ngỏ ra so với dạng sóng mong muốn có thể được đánh giá qua hệ
số hình dạng (form factor) KF, là tỉ số giữa giá trò hữu dụng và giá trò hiệu dụng.
Người ta thường tính hệ số hình dáng cho ngỏ ra BBĐ có ngỏ ra xoay chiều:
U1R : trò số hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) áp ra
U
KFAC = 1R
UR : trò số hiệu dụng áp ra
UR
Hệ số méo dạng (biến dạng) toàn phần (THD - Total harmonic distortion): là tỉ số giữa
thành phần không mong muốn và mong muốn, đối với BBĐ có ngỏ ra xoay chiều:
THD =

U R2 − U12R

U1R

<I.3.3a>

THD thường cho ở đơn vò phần trăm, gọi là THD% =

100. U R2 − U12R

U1R

<I.3.3b>

Có thể phát biểu tương tự cho áp ngỏ ra bộ biến đổi có ngỏ ra một chiều. Hệ số hình dáng:
UO : trò số trung bình áp ra
U
KFDC = o
UR : trò số hiệu dụng áp ra
UR
Và hệ số méo dạng toàn phần THD =

U R2 − U o2

Uo

<I.3.3c>

3. Công suất và hệ số công suất: Bao gồm:
1
P
<I.3.4>
Po = ∫ u(t) ⋅ i(t) ⋅ dt
S = U R ⋅ IR

HSCS = cos ϕ =
T T
S
- Công suất tác dụng Po: biểu thò năng lượng sử dụng trong một đơn vò thời gian.
- Công suất biểu kiến S: tính bằng tích số giá trò hiệu dụng dòng và áp, biểu thò công suất
tác dụng của tải thuần trở có cùng dòng hiệu dụng.
- Hệ số công suất HSCS hay cos ϕ : cho biết hiệu quả sử dụng năng lượng của nguồn. Khi
tải là thuần trở sẽ có HSCS bằng 1.
Có nhiều biểu thức tính công suất trong mạch ĐTCS, phụ thuộc vào mục đích sử dụïng:
p: Công suất tức thời
1
p = u(t ) ⋅ i (t )
Po = ∫ u(t ) ⋅ i(t ) ⋅ dt
P1 :Khi quan tâm đến thành phần cơ bản của
T T
PDC = Uo ⋅ I o
P1 = 12 U1 ⋅ I1 cos ϕ1 <I.3.5> ngỏ ra (hình sin tần số ω), có điện áp và dòng
điện biên độ U1, I1 , góc lệch ϕ1 .
∞
1
Po = PDC + ∑ 2 Un ⋅ I n cos ϕ n
PDC: công suất một chiều (tải điệân một chiều)
n =1
với U0, I0 là các trò số áp, dòng trung bình.

Đôi khi Po còn được gọi là công suất (trung bình) toàn phần vì nó bao gồm thành phần
một chiều PDC và sóng hài bậc cao

∞

∑
n =1

1
2

U n ⋅ I n cos ϕn .

Trong thực tế tính toán ta hay sử dụng các kết quả sau:

Hệ luận 1: khi dòng điện chỉ có thàmh phần một chiều Io thì Po = PDC = Uo.Io do các
sóng hài dòng điện In bằng 0. Vì thế trong khảo sát mạch điện tử công suất giả thiết “dòng tải


phẳng – liên tục”thường được sử dụng để các tính toán trở nên đơn giản.
Ở các BBĐ ngỏ ra áp một chiều, Uo, Io , PDC là các thành phần mong muốn, sóng hài bậc
cao (các thành phần hình sin) là không mong muốn, chỉ tạo ra các tác dụng phụ.

Hệ luận 2: Khi áp nguồn hình sin hiệu dụng U, dòng không sin thành phần cơ bản i1 có giá
trò hiệu dụng là I1R thì hệ số công suất của mạch:
HSCS =

Po UI1R cos ϕ1 I1R cos ϕ1
=
=
S
UI R
IR

(xem bài tập số 6 cuối chương)

Từ kết quả này, ta suy ra chỉ có trường hợp
dòng hình sin đồng pha với áp nguồn hình sin là
có HSCS bằng 1.
4. Phương pháp nghiên cứu mạch:

i
o

D1

D2

u

u
o

Hình I.3.2: Trường hợp nguồn hình sin, dòng là xung
vuông HSCS không thể bằng 1.

i
o
R
L

u

u
o

i
o
R
L

u
o

i =0
o
R

L

u
o

R

L

Mạch chỉnh lưu bán sóng Ở bán kỳ u > 0, D1 Khi D2 dẫn điện, Khi dòng iO = 0
có diod phóng điện D2, u là dẫn dòng iO > 0
D1 không dẫn: u<0 tương ứng không có
nguồn xoay chiều.
diod nào dẫn điện.
và dòng iO > 0.
Hình vdI.3.3: Các sơ đồ mạch tuyến tính tương ứng sơ đồ chỉnh lưu một diod có diod phóng điện.

Mạch điện tử công suất khác với các mạch điện tử khác là nó có rất nhiều ngắt điện. Khi
trạng thái các ngắt điện thay đổi, mạch điện cũng thay đổi theo. Vì vậy để giải mạch ĐTCSù, cần
phải tìm ra trạng thái của các ngắt điện, suy ra sơ đồ mạch.

Ví dụ I.3.3: Mạch chỉnh lưu một diod (bán sóng) có diod phóng điện hình (a) có thể là các
mạch hình (b), (c), (c) tùy thuộc vào diod nào dẫn dòng điện tải iO.
Có thể nói là mạch điện tử công suất = tổ hợp nhiều mạch tuyến tính thay đổi theo trạng
thái của các ngắt điện.
a. Giải trực tiếp QTQĐ mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:
Với điều kiện đầu được biết ở thời gian t = 0, ta giải mạch điện theo t khi lưu ý trạng thái
của các ngắt điện. Kết quả thu được các phương trình mô tả dòng , áp các phần tử mạch theo t.

Ví du I.3.4: Khảo sát mạch chỉnh lưu 1 diod tải RL có D phóng điện của ví dụ 1. Áp nguồn
u = 2U sin wt , điều kiện đầu t = 0, iO = 0.
Giả sử ta đóng nguồn ở t = 0 : u > 0, D1 dẫn điện, mạch điện tương đương hình (b):
phương trình vi phân mô tả mạch điện là:


−t
⎤
dio
U 2⎡
τ
điều kiện đầu io = 0 => io =
u = R.io + L
⎢sin(ω t − φ ) + sin φ ⋅ e ⎥ <vdI.3.4.1>
dt
Z ⎣
⎦

với τ = L

, tổng trở tải Z = R2 + (ω L ) và góc pha φ = tg -1
2

R

wL
R

Hình vdI.3.4: Quá trình quá độ của sơ đồ chỉnh lưu một diod có diod phóng điện.

Khi ωt = π, dòng io = Io > 0 phóng qua diod phóng điện D2. Thực vậy, nếu D1 tiếp tực dẫn điện sẽ
làm D2 cũng dẫn điện: vô lý. D2 dẫn điện làm D1 phân cực ngược và mạch điện trở thành (c):

0 = R.io + L
io = Io .e

−t

τ

dio
điều kiện đầu io (0) = Io khi lấy lại gốc thời gian. Giải ptvp này:
dt

. Ở đầu chu kỳ kế io = Io .e

−π

wτ

= I1 > 0 <vdI.3.4.2>

Chu kỳ kế tiếp điễn ra tương tự với dòng ban đầu qua tải I1 > 0. Sau một thời gian quá độ
hệ thống đạt trạng thái tựa xác lập: dạng dòng áp trong mạch lập lại theo chu kỳ.

Nhận xét: Phương pháp này cho ta cái nhìn chính xác hoạt động của mạch nhưng không
thể cho ta phương trình dòng áp qua các phần tử ở chế độ tựa xác lập.
b. Giải chu kỳ tựa xác lập mạch ĐTCS bằng PT vi phân hay biến đổi Laplace:
Đặc tính mạch điện ở chế độ tựa xác lập có thể được tính khi ta khảo sát hoạt động trong
một chu kỳ với giả sử các giá trò ban đầu của biến trạng thái của mạch được biết. Kết quả cho ta
một hệ phương trình để tính các giá trò ban đầu này khi cho giá trò đầu bằng giá trò cuối.
Ví dụ I.3.5: Giải tiếp tục ví dụI. 2 ở chế độ tựa xác lập.
Giả sử ta đóng nguồn ở t = 0 : D1 dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

u = R.io + L
=> io =

dio
điều kiện đầu io = I1
dt

⎡
⎤ −t
U 2
U 2
sin(ω t − φ ) + ⎢ I1 −
sin φ ⎥ ⋅ e τ <vdI.3.5.1>
Z

Z
⎣
⎦

Ở bán kỳ kế, D2 cũng dẫn điện, phương trình vi phân mô tả mạch điện là:

0 = R.io + L

dio
điều kiện đầu io (0) = Io với
dt

⎡
⎤ −wπτ
U 2
U 2
sin(π − φ ) + ⎢ I1 −
sin φ ⎥ ⋅ e <vdI.3.5.2>
Io = io (π ) =
Z
Z
⎣
⎦
=> io = Io .e

iO .

−t

τ

và ở cuối chu kỳ I1 = Io .e

−π

wτ

<vdI.3.5.3>

Phương trình <vdI.3.5.2>, <vdI.3.5.3> cho phép ta tính I1 và Io, từ đó vẽ được dạng dòng


Nhận xét: Phương pháp này cho phép ta tính đặc tính mạch trong chế độ xác lập, nhưng
việc rút ra các đặc trưng dòng, áp của mạch rất khó khăn, đòi hỏi tích phân những hàm có hàm
lượng giác và hàm mũ.
c. Khảo sát dòng áp trên tải bằng nguyên lý xếp chồng:
Nguyên lý xếp chồng dựa trên đặc tính của hệ tuyến tính, được phát biểu như sau: Tác
dụng của một tín hiệu có chu kỳ trên hệ thống tuyến tính có thể được xác đònh bằng tổng các tác
dụng trên hệ này của các thành phần Fourier hợp thành tín hiệu đó.
Vậy nguyên lý xếp chồng cho thấy ý nghiã của các thành phần Fourier và cho ta một
phương pháp khảo sát các mạch điện tử công suất ở chế độ xác lập, ví dụ dòng tải có thể tính
như sau:
- Giá trò trung bình dòng qua tải có thể xác đònh bằng cách đặt lên tải một điện áp một
chiều bằng giá trò trung bình áp trên tải.
- Mỗi một sóng hài bậc cao của điện áp nguồn sẽ tạo ra thành phần dòng điện hình sin
tương ứng.
Và dòng điện thực sự chạy qua mạch sẽ là tổng của các thành phần này. Trong thực tế, ta
không thể tính hết tác dụng của tất cả thành phần Fourier và độ chính xác của phương pháp này
phụ thuộc vào khối lượng tính toán. Thông thường người ta chỉ xét tác dụng của những thành
phần có ảnh hưởng lớn mà thôi.

R1
R2

u

C

Hình vdI.3.6: Mạch RC cung cấp bằng xung vuông

Ví dụ I.3.6: Tính dòng và áp trung bình qua điện trở R2 của mạch điện hình Vd2. áp nguồn
u có dạng trên hình VdI.3.6.a, U = 200 Volt, R1 =R2 =100 ohm.
Giải: Trò trung bình áp ra: U o =

T

1
1
u.dt =
∫
T0
T

2T / 6

∫
0

U .dt =

U

3

Tù mạch tương đương hình VdI.3.6.b, tính được trò trung bình dòng ra
IO = (200/3)/200 = 1/3 A và trò trung bình áp trên mỗi điện trở tải UCo = Uo/ 2 = 33.3 V
R1
R2

Uo

Hình VdI.3.6.a: dạng áp nguồn tính bằng số.

UCo

Hình VdI.3.6.b: Mạch tương đương với
thành phần một chiều

e. Khảo sát mô hình toán mạch ĐTCS bằng máy tính (dùng chương trình mô phỏng) hay
khảo sát mô hình thực tế trong phòng thí nghiệm:
Thuật toán tổng quát để khảo sát mạch ĐTCS bằng máy tính:


Bước mở đầu: Xác đònh dòng áp qua các phần tử ở thời gian t = 0+
Bước 1: Dựa vào tín hiệu điều khiển và dòng, áp qua các ngắt điện,
tìm ra các ngắt điện ON (nối mạch)
Bước 2: Thành lập phương trình mô tả mạch.
Bước 3: Giải phương trình mô tả mạch để tìm ra dòng áp qua các
phần tử ở t = t + Δt
Bước 4: Khai thác các số liệu tìm được, tăng thời gian hiện tại t Å t + Δt
Bước 5: Kiểm tra điều kiện kết thúc khảo sát:

nếu thỏa thì qua bước 6, nếu không trở về bước 1.
Bước 5: Dừng chương trình.
Nhận xét: Việc khảo sát bằng máy tính ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi
phân cho ta dòng áp qua các phần tử theo từng sai phân thời gian Δ t, chính là thực hiện giải
mạch theo dòng thời gian (mục a.) một cách tự động.
I.4 TÍNH CHỌN NGẮT ĐIỆN ĐIỆN TỬ:

Trong BBĐ, các ngắt điện có vai trò quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành. Vì
vậy việc chọn đúng linh kiện rất cần thiết để tránh hư hỏng nhưng không làm tăng cao giá thành.
Các thông sốá của ngắt điện: chủng loại, đònh mức áp, đònh mức dòng (công suất) và cách
lắp đặt.
1. Chủng loại linh kiện bán dẫn công suất: gắn liền với 2 yếu tố: công dụng linh kiện và
tần số đóng ngắt. Loại linh kiện phải thích hợp với mục đích sử dụng và tần số làm việc của sơ
đồ.
Ví dụ MosFET và BJT công suất đều là ngắt điện bán dẫn một chiều, MosFET công suất
làm việc ở tần số cao hơn nhưng ngươì ta chỉ chế tạo đến khỏang 100 A, ở dòng điện cao hơn
phải dùng BJT hay IGBT.
Tóm tắt một số loại linh kiện bán dẫn thông dụng
STT

Linh kiện

1

Diod

2

BJT

Loại

Đặc tính

1N4007

Chỉnh lưu (Rectifier)

Dòng lớn, tần số công nghiệp

FR207

Phục hồi nhanh

Dòng lớn, tần số cao

1N4148

Tín hiệu (máy tính)

Dòng bé (mA), tần cố cao

C1061

Âm tần, thông dụng

Máy tăng âm, đóng ngắt (tần số thấp)

MJE13007

Đóng ngắt

Đóng ngắt

Đóng ngắt

Đóng ngắt dòng đến 100A

3

MosFET

IRF540

4

IGBT

GT60N321 Đóng ngắt

5

SCR

Đóng ngắt dòng lớn

Chỉnh lưu

tần số công nghiệp

Tần số cao

tần số cao (thời gian tắt bé)

2. Tính chọn đònh mức áp linh kiện:


Tất cả linh kiện điện tử đều chỉ có thể chòu được một điện áp khoá giới hạn (phân cực
ngược hay thuận), khi vượt qua sẽ xảy ra hiện tượng gãy các mối nối làm hư hỏng tức thì.
=> m = kat . Ulvmax
Áp đònh mức m cần lớn hơn áp làm việc (khóa) cực đ Ulvmax với hệ số an toàn kat
được chọn ≥ 2.

Ví dụ 1.4.1: đối với các cầu chỉnh lưu, đònh mức áp khi làm việc 1 pha lưới 220 VAC bằng
600V và ≥ 1000V khi làm việc với lưới 380VAC.
3. Tính chọn đònh mức dòng và công suất linh kiện:
a. Sự phát nóng và tính chọn công suất: Như các linh kiện công suất khác, khi làm việc
linh kiện công suất tiêu tán năng lượng và phát nóng, sẽ hư hỏng khi nhiệt độ lớn hơn giá trò cho
phép. Mục đích của tính toán nhiệt là kiểm tra nhiệt độ mối nối θJ của miếng tinh thể bán dẫn
phải bé hơn giá trò cho phép θJmax , có trò số từ 125 . . 200 O C.

Việc giải bài toán nhiêt này bao gồm :
- Tính công suất tiêu tán trung bình trên linh kiện trong chu kỳ T: ΔP = ∫ u(t).i(t) dt ;
T

trong đ u(t), i(t) là giá trò tức thời dòng, áp qua kênh dẫn điện. Có thể tra cứu ΔP trong tài liệu
của nhà sản xuất, theo hai thông số: trò số trung bình và dạng của dòng điện hay có thể tích phân
trực tiếp từ quan hệ dòng áp.
- Tính toán truyền nhiệt từ tinh thể bán dẫn(mối nối) ra môi trưòng xung quanh:
mối nối Ỉ vỏ Ỉ tản nhiệt Ỉ môi trường.

Bài toán này có thể được đơn giản hóa khi cho rằng trong chêù độ xác lập, chênh lệch nhiệt
độ trên đường truyền θ1 , θ2 tỉ lệ với công suất tiêu tán ΔP và thông số đặc trưng của môi trường
truyền – gọi là điện trở nhiệt R12:

θ1 − θ2 = ΔP ⋅ R12

<I.4.1>

Áp dụng vào tính toán tản nhiệt cho bán dẫn công suất:
θ J − θ A = ΔP ⋅ ( R JC + R CH + R HA ) <I.4.2>
với các điện trở nhiệt:
+ RJC: thể hiện khả năng tản nhiệt của linh kiện,
cung cấp bởi nhà sản xuất, được cung cấp trực tiếp hay
thông qua công suất đònh mứcΔP (ký hiệu Pdiss trong các
tài liệu tiếng Anh), xác đònh bằng nhiệt độ mối nối cho
phép θJmax và nhiệt độ vỏ bằng giá trò môi trường qui đònh
θA = 25 OC.
Pdiss = RJC (θ J max − 25o C) <I.4.3>
Điều này cũng có nghiã là rất khó sử dụng được
Pdiss này.
+ RCH: điện trở nhiệt khi truyền từ vỏ của linh kiện
qua tản nhiệt, giảm khi áp lực tiếp xúc, độ nhẵn bề mặt
tăng. Người ta còn có lớp đệm bằng cao su đặc biệt vừa
Hình I.4.1 Cách lắp linh kiện công suất
làm cách điện và tăng tiếp xúc, hay dùng keo (paste)
vào tản nhiệt
silicon làm kín các khe hở giữa hai bề mặt khi sử dụng
mica làm tấm đệm .

+ RHA: điện trở nhiệt khi truyền từ tản nhiệt ra môi trường xung quanh, là bộ phận chủ yếu
cho tản nhiệt hệ thống, tỉ lệ nghòch với diện tích tản nhiệt. Có thể giảm RHA khi làm đen bề mặt
(tăng khả năng bức xạ nhiệt), hay dùng quạt để tản nhiệt cưỡng bức. Ở các hệ thống công suất rất
lớn, có thể làm mát bằng cách bôm nước qua tản nhiệt để giảm kích thước bộ tản nhiệt, tránh
choán chỗ.
Để ý là khi không sử dụng tản nhiệt, điện trở nhiệt từ vỏ linh kiện công suất ra môi trường
rất lớn (vì diện tích tiếp xúc với không khí của linh kiện rất bé) dẫn đến khả năng tiêu tán công
suất lúc này rất bé so với giá trò đònh mức.
b. Tính chọn đònh mức dòng và quan hệ công suất tiêu tán: Cũng như điện áp, đòng qua
linh kiện trong trạng thái dẫn cũng bò giới hạn. Linh kiện bán dẫn có hai giá trò giới hạn dòng
không thể vượt qua: Dòng cực đại( có thể dài hạn hay ngắn hạn với thời gian và chu kỳ quy đònh)
và dòng đònh mức.
- Dòng đònh mức liên quan chặc chẻ đến điều kiện tản nhiệt, thường được sử dụng thay
cho tính toán nhiệt vì nó đơn giản và sau đó bài toán nhiệt độ linh kiện được kiểm tra thực tế hay
qua tính toán. Có thể có hai giá trò:
Dòng làm việc trung bình IO nhỏ hơn giá trò trung bình đònh mức IAVE hay
Dòng làm việc hiệu dụng IR nhỏ hơn giá trò hiệu dụng đònh mức IRMS
Cũng giống như đònh mức áp, đònh mức dòng cũng được chọn với hệ số an toàn dòng,
thường chọn từ 1.2 đến 2 lần. Việc tính chọn theo hiệu dụng thường cho kết quả phù hợp hơn vì
dạng dòng mạch điện tử công suất thường là dạng xung. Với các chỉnh lưu (Diod hay SCR), quan
hệ giữa hai giá trò này cho các linh kiện chỉnh lưu bằng:

IRMS = 1.57 IAVE
sóng.

<I.3.4>,

do dạng dòng qui đònh khi tính toán đònh mức cho các linh kiện chỉnh lưu là chỉnh lưu bán

Sau đó, ta cần kiểm tra hệ thống tản nhiệt qua việc đo nhiệt độ vỏ của linh kiện công

suất, nó không được vượt quá 65 . . 70 OC.
- Dòng cực đại (ngắn hạn) là dòng điện gây hư hỏng linh kiện mà ta không thể vi phạm:
Cực đại dòng tải IOMAX cần phải nhỏ hơn giá trò cho phép IMAX này.
Thông thường, các linh kiện công suất gắn trên mạch in (dòng tối đa vài chục A) được
chọn theo điều kiện này thay vì các giá trò trung bình hay hiệu dụng.


Hình I.4.2: Dòng trung bình cho phép theo nhiệt độ vỏ linh kiện

Quan sát: Hai đồ thò trên cho thấy:
- nhiệt độ vỏ linh kiện < 75o C sẽ không làm giảm khả năng tải của linh kiện.
- Cùng nhiệt độ vỏ, dòng trung bình cho phép qua mạch bò giảm theo độ rộng xung. Điều
này cho thấy chọn theo dòng trung bình không chính xác.

Bài tập: Từ đồ thò tải xung vuông, tính xem dòng hiệu dụng qua mạch cho phép của tải sẽ
tăng hay giảm theo độ rộng xung, khi giữ nhiệt độ vỏ trong khoảng 60 - 70 oC.
CHÚ Ý - Tản nhiệt luôn cần thiết khi sử dụng linh kiện công suất.

- Nên tản nhiệt để có nhiệt độ vỏ linh kiện ở 60 – 70OC. Khi điều kiện này bò
vi phạm, nên thay đổi điều kiện tản nhiệt hơn là tăng đònh mức linh kiện.
4. Cách lắp đặt (vỏ – case), chế độ tản nhiệt (SCR), chế độ cách điện với vỏ.

TO220AB

TO48
(TO208AA)

TO118
(TO209AE)

TO200AB

ADD A-PAK

ADD A-PAK (power module) thường được chế tạo với vỏ tản nhiệt cách điện. Vỏ
TO220AB có nhóm phụ vỏ bọc cách điện.

5. Phân loại theo chất lượng:
Loại hàng không, quân sự (Millitary) là có chất lượng cao nhất do được kiểm tra, thử
nghiệm chặc chẻ. Kế đó là loại công nghiệp (Industrial) và cuối cùng là loại thương mại
(Commercial) được bán lẻ trên thò trường. Nhiệt độ môi trường làm việc cho phép cũng thu hẹp
dần theo thứ tự.
I.5 BẢO VỆ BỘ BIẾN ĐỔI VÀ NGẮT ĐIỆN BÁN DẪN:
1.Bảo vệ dòng:


+ Bảo vệ dòng cực đại ( ngắn mạch ): Bảo vệ dòng cực đại làm việc ngay khi có hiện
tượng dòng điện vượt quá giá trò qui đònh, thường là rất lớn so với giá trò đònh mức. Bảo vệ dòng
cực đại còn gọi là bảo vệ ngắn mạch, xuất hiện ở ngỏ ra hay bên trong bộ biến đổi, là nguyên
nhân gây ra quá dòng điện rất lớn cần loại bỏ ngay, tránh hư hỏng ngắt điện bán dẫn và đảm bảo
hoạt động bình thường của nguồn điện.
- Cầu chì tác động nhanh được sử dụng để bảo vệ quá dòng cho linh kiện bán dẫn, có thể
đặt ở đầu vào bộ biến đổi hay nối tiếp linh kiện được bảo vệ. Thông số đặc trưng của cầu chì là
dòng, áp đònh mức và tích phân dòng ngắn mạch để cầu chì chảy

∫T i

2

dt . Tích phân này cần

phải bé hơn tích phân tương tự để ngắt điện bán dẫn bò hư hỏng khi quá dòng (ngắn mạch), lấy ở
sổ tra cứu từ nhà sản xuất. Đối với chỉnh lưu, thời gian tích phân T thường là nửa chu kỳ lưới.
Loại cầu chì thông thường không thể bảo vệ linh kiện điện tử công suất, nó chỉ có khả năng ngắt
mạch khi có sự cố dòng tăng cao vì tác động chậm.
- CB ( ngắt mạch tự động – áptomat ) thường gặp ở ngỏ vào các bộ biến đổi làm các
nhiệm vụ: đóng ngắt, bảo vệ quá tải và ngắt mạch bò sự cố ra khỏi lưới điện. CB không có khả
năng bảo vệ các phần tử bán dẫn công suất khi có ngắn mạch.
+ Bảo vệ quá tải ( quá dòng có thời gian ):
Quá tải là trường hợp dòng điện qua mạch lớn hơn giá trò tính toán một lượng không lớn,
nếu kéo dài sẽ gây hư hỏng do quá nhiệt ở các phần dẫn điện. Như vậy đặc tính quá tải có dạng
hyperbol, dòng quá tải càng lớn , thời gian cho phép càng ngắn.
Bảo vệ quá tải được thực hiện bằng rơ le chuyên dùng (gọi là rơ le nhiệt), tác động vào
thiết bò đóng ngắt tự động (contactor) ở đầu vào. CB luôn có tích hợp sẵn rơ le nhiệt. Ở các bộ
biến đổi, bộ điều khiển thường tích hợp cả bộ phận hạn dòng, tác động tức thời ở 120 % đến 200
% giá trò đònh mức thiết bò, làm cả nhiệm vụ bảo vệ quá tải cho ngắt điện bán dẫn.
CHÚ Ý - CB hay cầu chì thông thường không bảo vệ được linh kiện công suất khi có
dòng ngắn mạch đi qua.
2. Bảo vệ áp:

Với việc chọn đònh mức áp của linh kiện bán dẫn công suất tối thiểu bằng hai lần áp khóa
cực đại, ngắt điện bán dẫn thường không phải bảo vệ quá áp khi làm việc. Bảo vệ áp được đặt ra
để chống lại các xung áp cảm ứng trên dây dẫn nguồn do sét xảy ra ở vùng lân cận hay do cảm
ứng trên hệ thống khi có đóng ngắt.
R4
10k

260v

C

103
FR105

T

IRF450

(4)

Hình I.5.1: các phần tử có thể bảo vệ xung áp cho BBĐ và linh kiện công suất

Người ta thường dùng ở đầu nguồn: RC nối tiếp mắc song song (1), Varistor là loại điện
trở giảm nhanh khi áp lớn hơn trò số ngưỡng (2) và các bộ lọc nguồn(3) gồm mắc lọc LC hình π.
Mạch RC song song với các ngắt điện (mạch snubber) có thể bảo vệ linh kiện khỏi các


xung áp trong mạch. Trong nhiều trường hợp, người ta thêm diod tác động nhanh vào mạch để
tăng tính chọn lọc, tăng hiệu quả của mạch (4).
GHi NHỚ - Người ta chỉ bảo vệ NĐĐT khỏi quá áp xung vì dự trữ áp (hệ số an tòan) đã
chọn là khá lớn để linh kiện không bò hỏng do sử dụng quá áp.
I.6 TÓM TẮT CÁC Ý CHÍNH:

Sau khi học chương I, cần nắm vững các nội dung sau:
- Công thức tính toán trò trung bình, hiệu dụng của dòng điện (điện áp) và ý nghiã của nó.
- Nguyên lý tính chọn các linh kiện công suất cũng như tản nhiệt.
- Nguyên lý bảo vệ quá áp, quá dòng và quá tải các BBĐ cũng như linh kiện công suất.
Bài tập:

1. Tính trò trung bình và hiệu dụng của các dòng điện có biên độ I như sau:
i

I

i

T

t1
I

t1

a.

0

T

t

0

t1

t

-I

b.

c.

d.
Hãy so sánh và đưa ra nhận xét về giá trò trung bình và hiệu dụng của hai dạng sóng (a)
và (b), (c) và (d)
1a. Xây dựïng công thức tính hiệu dụng của
dạng sóng tam giác i(t) có chu kỳ T, trò trung
bình Io, biên độ nhấp nhô ΔI và thời gian cạnh
lên bằng αT.

i(t)

ΔI

Io

αT
T

t

2. Chứng minh IRMS = 1.57 IAVE với dạng sóng sau:
Giải: Ta tính toán giá trò trung bình và hiệu
dụng của dạng dòng hình sin chỉnh lưu bán
sóng như hình bên với thông số là biên độ I.
Đặt i = I sin wt là phương trình phần
2
dòng điện hình sin. Tính trò trung bình:
0

I av = 21π

π

∫0 I sin wt.d (wt ) = 2π [− cos wt ]0

Tính trò hiệu dụng:

I RMS =

π

I

[

1 π (I sin wt )2 dwt =
2π ∫0

= πI

]

I 2 π 1− cos 2 wt dwt =
2π ∫0
2

[

]

I 2 2 wt + sin 2 wt π = I
2π
4
2
0

Suy ra : IRMS / IAVE = π / 2 = 1.57
I

3. Tính tỉ số giữa trò hiệu dụng và trò trung bình i
của dạng sóng hình bên.

Hướng dẫn:

I av = T1 ∫

T /6

0

I RMS =

I .dt = TI [t ]T0 / 6 =

1 T /6
T 0

∫

IRMS / IAVE =

(I )2 dt =

t

I
6

2

I
T

T

∫0 [1]dt =
T /6

2

I
T

[t ]T0 / 6

=

I
6

6
v

4. Tính trò trung bình dòng qua cuộn
dây R = 10 ohm; L = 0.1 henry có áp
qua nó có dạng hình bên.

Đáp số: 1A; tự cảm L và tần số xung
chỉ ảnh hưởng dạng dòng.

V = 30 volt

3
0

1

4

t (ms)

5
6

2

5. Dòng ngỏ vào i và
áp nguồn u của bộ
biến đổi (BBĐ) có

dạng hình bên. u có
dạng hình sin tần số
góc w biên độ U và i
có dạng xung vuông
đối xứng biên độ I có
cùng tần số và pha.
a. Hãy tích phân trực tiếp để tính công suất tác dụng của BBĐ tiêu thụ.
b. Tính trò hiệu dụng dòng nguồn và suy ra hệ số công suất của BBĐ.
c. Làm lại câu a và b khi dòng i lệch pha góc α với áp nguồn u.
6. Vẽ dạng dòng, áp ra và tính trò trung bình
dòng qua mạch nạp accu hình bên, cho biết

e(t ) = 12 2 sin(100π t ) và giả sử diod không
có sụt áp thuận.
,

io
D

e

R
1 ohm

vo

E
12 v

7. Tính và vẽ dạng dòng iO qua tải. Cho biết quá trình
làm việc của mạch như sau:

io

K

- t = 0: khóa K đóng với dòng ban đầu qua tải iO = 0.
- Sau khi K đóng đủ lâu để dòng qua tải iO xem như đạt e
giá trò xác lập, ta mở khóa K.

+
_

D

a. L và C không tích trữ năng lượng.

v
L

L

v =v
o R

R

v
L

L

K

v
C

io

v =v
o R

C

D

R

+
_ e =E

v
L

L

10. Giải lại bài 8 khi có diod D song song ngược với
RLC. Khảo sát thêm trường hợp c:

io

K

c. vC (0) = - E; iO (0) = I1 khi khóa K đóng.

v
C
C
R

+
_ e =E

R đủ nhỏ để dòng áp có tính dao động.

D
L

12. Cho mạch điện hình bên với e là dạng áp
xoay chiều có biên độ V = 230 (V), R = 15 ohm,
L1 = 100mH, L2 = 50 mH, tần số góc w = 100π.
1. Tính giá trò hiệu dụng của sóng hài bậc 1 và 3
của áp nguồn e và dòng tải io khi khóa K mở.
2. Với khóa K đóng, tính điện dung C để sóng hài
bậc 3 của dòng dòng tải io còn bằng ¼ trường hợp
câu 1.

v
o

C

+
_ e =E

b. vC (0) = - E; iO (0) = 0.

9. Giải lại bài 8 khi có diod D nối tiếp với
nguồn, R đủ nhỏ để dòng áp có tính dao
động.

io

K

R

v
C

Áp nguồn một chiều e = E.
8. Tính và vẽ dạng dòng qua tải iO, áp trên tụ vC theo
thời gian trong các điều kiện đầu (khi K đóng):

v
R

u

V

π
4

3π
4

5π
4

π

7π
4

v
L

2π

wt

-V

L2

L1

e

v =v
o R

uC

K

io
R

C
3. Dùng một chương trình mô phỏng để quan sát
dòng tải io trong hai trường hợp.
12. Mạch tương đương của bộ ổn áp xung dùng vi mạch LM257x (hình 1) được cho trên hình 2 là
một nguồn e(t) có dạng hình 3 với mạch lọc ngỏ ra L = 330 uH, C = 1000 uF, tải R = 5 ohm.
Nguồn e(t) có tần số f = 52 kHz, biên độ U = 16 V và độ rộng xung tương đối α = 0.4.


e(t)
hình 1

e(t)

+

L
C

R

uo(t)

U

αT

_

t

T

hình 2

hình 3

Tính biên độ sóng hài bậc 1 của nguồn e(t) và ngỏ ra uo(t). (Có thể tính gần đúng)
13. Câu hỏi ngắn:
a. Trong mạch điều khiển, khi ta lọc thông thấp điện áp ngỏ ra để phản hồi về bộ hiệu
chỉnh, ta được đặc trưng nào của ngỏ ra? Giá trò trung bình hay hiệu dụng?
bình?

b. Theo bạn, đặc tính của rơ le bảo vệ quá tải sẽ tính bằng giá trò hiệu dụng hay trung
c. Hãy liệt kê những trường hợp sử dụng giá trò trung bình và hiệu dụng của dòng điện.

PHỤ LỤC 0
A. QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH RL LÀM VIỆC VỚI NGUỒN 1 CHIỀU: (hình PL0.1.a)
Xxl

τ
x(t)
Xbđ

t

(a)

(b)

Hình PL0.1: Sơ đồ mạch điện (a) và đồ thò dạng dòng io(t) theo thời gian (b)

Trong phụ lục này, ta khảo sát quá trình quá độ dòng điện mạch RL khi đóng vào nguồn một chiều, có sơ
đồ hình PL0.1.a (Vẽ cho trường hợp tổng quát RLE , tải RL tương đương E = 0).
Tại t = 0, khóa K đóng. Phương trình mạch điện là:

R ⋅ io + L

di
dio
= U <PL0.1> trong đó L o là sụt áp qua tự cảm. Đây là phương trình vi phân tuyến
dt
dt

tính bậc 1 có các hệ số dương và vế hai khác không, có điều kiện ban đầu là dòng điện qua mạch ở t = 0:
io ( 0 ) = 0 . Phương trình dòng điện theo thời gian io (t) chính là nghiệm của phương trình vi phân trên, có dạng
tổng quát là hàm mũ:

io (t ) = A + B ⋅ e − t/ τ

với

τ = L/ R

<PL0.2>. A và B là hai hằng số.

A xác đònh theo vế hai, B là giá trò xác đònh theo điều kiện ban đầu.
ta có

dio
= − B ⋅ e − t/ τ
τ
dt

dio
→ 0 . Thế vào <PL0.1>:
dt
A = U / R . Vậy A là dòng điện xác lập io (∞ ) .

Khi t → ∞ , e
R.A = U hay

<PL0.3>

−t / τ

→0

io → A ,

dio
(0 ) = − B . Thế vào <PL0.1>, suy ra B = io ( 0 ) − A = − U
τ
dt
R
−
t
/
τ
Tóm lại : io (t ) có dạng hàm mũ io ( t ) = UR 1 − e
<PL0.4>. Dạng dòng điện được vẽ trên hình
Khi t = 0, io (0 ) = A + B ,

(

)

PL0.1.b.
Tổng quát kết quả trên, phương trình vi phân
tuyến tính bậc 1 có các hệ số dương và vế hai hằng số:

x+ τ⋅
với

điều

Xxl

τ

dx
= X xl <PL0.5>
dt

x(t)

kiện

ban
đầu
khác
không:
x( 0 ) = X bđ , phương trình có lời giải:

x(t) = X xl − ( X xl − X bđ ) ⋅ e − t / τ <PL0.6>.

Xbđ
t

Dạng x(t) được vẽ trên hình PL0.2
Để ý Xxl là giá trò xác lập của biến x , khi
t → ∞.

Hình PL0.2

CHÚ Ý: − Trong mạch ĐTCS, ta có thể gặp trường hợp vế hai của phương trình vi phân trên là hàm sin, lời giải có
dạng tương tự nhưng phức tạp hơn.
− Nếu mạch có sức phản điện (E ≠ 0) trong hình PL0.1, phương trình <PL0.1> trở thành

R ⋅ io + L

dio
= U − E <PL0.1*>
dt

các kết quả đã khảo sát vẫn áp dụng được khi thay U bằng U – E, ví dụ như khi dòng điện ban đầu qua
mạch bằng không io ( 0 ) = 0 :

(

io ( t ) = UR− E 1 − e− t / τ

)

<PL0.4*>

- Nhận xét là dòng qua tải không thay đổi đột ngột, có thể giải thích theo hai cách:
1. uL = L.diL/dt, sụt áp qua L tỉ lệ với đạo hàm dòng qua nó => sự thay đổi dòng qua L bò hạn chế bổ áp
nguồn cấp điện.
2. Năng lượng tích trữ trong cuộn dây tỉ lệ với dòng qua nó;

E=

1 2
L.i suy ra dòng không thể thay dổi tức
2

thời vì năng lượng hệ thống phải có thời gian tích trữ hay tiêu hao.
Lý luận này rất thường được dùng trong lý giải mạch điện tử công suất.

GHi NHỚ - Dòng qua cuộn dây và điện áp tụ điện trên không thể thay đổi tức thời

=> L : phần tử làm phẳng (lọc thông thấp) dòng điệnø
C: phần tử làm phẳng (lọc thông thấp) điện áp
I.6 CÁC TẠP CHÍ VÀ WEBSITE CỦA CÁC TỔ CHỨC KHKT QUỐC TẾ: