Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ đổi điện 220V 110V– 20A không dùng biến áp

1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------------------

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2015 -2016
Tên đề tài: ““Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ đổi điện 220V /110V– 20A không dùng
biến áp”
Số hợp đồng: 2016.01.11/HĐ-KHCN ký ngày 05/01/2016
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Phước Tường Vân
Đơn vị công tác: Khoa Điện – Điện tử
Thời gian thực hiện: 02/01/2016 đến 30/7/2016

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


2

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1- Thực trạng:
Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có rất nhiều thiết bị điện dân dụng sử dụng điện áp
110V nhập theo nhiều nguồn, từ các nước khác trên thế giới (như Nhật, Mỹ …) là

những nước có lưới điện quốc gia là 110V. Để sử dụng được những thiết bị điện này,
người dùng phải mua bộ biến áp đổi điện từ 220V của lưới điện quốc gia thành 110V.
Các thiết bị dân dụng này thường có công suất từ vài trăm watt đến 1000W nên bộ
biến áp phải có khả năng cung cấp dòng từ 5A đến 10A.
Tại các trường Đại học, Cao đẳng đào tạo ngành kỹ thuật điện, điện tử cũng thường
dùng các bộ đổi điện 220V của lưới điện thành 110V cung cấp cho các mạch điều
khiển hay thiết bị điện có điện áp 110V.
2- Các bộ biến đổi hiện có:
Các bộ biến đổi điện áp này trên thị trường có thông số kỹ thuật là:
- 220V/110V – 5A hay 220V/110V – 10A
Có hai loại bộ biến đổi điện áp:
- Loại dùng biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu;
- Loại dùng mạch điện tử công suất để chuyển đổi.
Loại dùng máy biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu có nhược điệm:
- Kích thước lớn, nặng nề;
- Hiệu suất thấp vì tổn hao công suất trên dây quấn và lõi thép;
- Đắt tiền.
Loại dùng mạch điện tử công suất chuyển đổi có nhược điểm:
- Điện áp ra cung cấp cho tải bị cắt theo từng chu kỳ của dòng điện làm dòng
điện xoay chiều thành dòng điện không còn là hình sin;
- Loại này thường chỉ cung cấp cho các loại tải sinh nhiệt như: bàn ủi, bếp điện ...
3- Lý do thực hiện đề tài:
Nghiên cứu thiết kế bộ đổi điện 220V/110V - 5A hay 10A cho ra điện áp hình sin để
có thể cung cấp cho các loại thiết bị điện và điện tử khác mà thiết bị vẫn hoạt động
đúng theo yêu cầu kỹ thuật.
Đề tài sẽ sử dụng lý thuyết kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp để tạo mạch đổi
điện có kích thước gọn nhẹ, ít tổn hao và giá thành rẻ, làm việc ổn định.
Với bộ đổi điện 220V/110V dùng kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp sẽ giúp
người dùng mạnh dạn sử dụng các thiết bị điện 110V giá rẻ hiện có rất nhiều trên thị
trường. Các phòng thí nghiệm / thực hành của các trường đại học, cao đẳng có thiết bị

dạy học tiện lợi và hiện đại phục vụ cho các môn học như: Máy điện, Khí cụ điện,
Điện tử công nghiệp, Điện tử công suất …
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


3

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương 1:

ĐỔI ĐIỆN DÙNG MÁY BIẾN ÁP
THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP (MBA) 220V/110V- 10A

Để thực hiện việc đổi điện từ 220V thành 110V cung cấp cho các thiết bị dân dụng
mua từ các nước có nguồn điện 110V hay 110V (như Mỹ, Nhật,…), thường sử dụng
biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu.
Loại biến áp 220V/110V thông dụng trên thị trường là loại có dòng điện ra ở thứ cấp
là 10A. Nôi dung của chương này giới thiệu cách tính toán lõi thép và dây quấn một
biến áp cách ly loại 220V/110V – 10A để so sánh với thiết bị được nghiên cứu và thực
hiện của đề tài.
§1.1. ĐỊNH NGHĨA
MBA là một thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi
điện áp của mạng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số.
Phía nhận điện áp từ nguồn gọi là sơ cấp, các đại lượng của sơ cấp ký hiệu số 1, phía
cung cấp điện ra cho tải gọi là thứ cấp, các đại lượng của thứ cấp ký hiệu số 2.
Nếu: U1 > U2: MBA giảm áp;
U1 < U2: MBA tăng áp.
§1.2. PHÂN LOẠI

a. Theo cấp điện áp:
- Hạ áp: có mức điện áp dưới 1000V;
- Trung áp: có mức điện áp từ trên 1kV đến dưới 110kV;
- Cao áp: có mức điện áp từ 110kV trở lên.
b. Theo số pha: MBA 1 pha và 3 pha.
c. Theo công dụng: máy tăng áp và giảm áp
d. Theo cấu tạo:
- Biến áp cách ly;
- Biến áp tự ngẫu;
- Lõi thép hình E và I, hình C, hình vành xuyến;
- Lõi thép sắt lá hay sắt bụi.
§1.3. CẤU TẠO
Gồm hai phần chính lõi thép và dây quấn.
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


4

1.3.1. Lõi thép:
Lõi thép được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện, nhiệm vụ của lõi thép là làm mạch
dẫn từ. Lõi thép bao gồm các trụ thép và gông từ, trong đó, trụ thép là nơi đặt dây
quấn, còn gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Khi từ thông xoay chiều đi
qua lõi thép, nó gây ra các dòng điện xoáy trong lõi thép. Để giảm dòng điện xoáy này,
lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm. Lõi thép
có các kiểu sau:
- MBA kiểu lõi hay kiểu trụ: thông dụng cho MBA một pha và ba pha có dung
lượng nhỏ và trung bình; được ghép chữ U và I xen kẽ nhau ( mạch từ không
phân nhánh);

- MBA kiểu bọc: được ghép bởi các lá thép chữ E, I xen kẽ nhau.
Đây là loại mạch từ phân nhánh thường dùng cho 1 pha. Để giảm dòng điện xoáy
trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày 0,35mm đến 0,5mm, hai
mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép.
Lõi thép gồm 2 bộ phận: trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín.
- Trụ từ là nơi để đặt dây quấn;
- Gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.
Tiết diện trụ từ có thể là hình vuông, hình chữ nhật hay hình tròn có bậc… Loại trụ từ
có tiết diện hình tròn có bậc thường dùng cho MBA công suất lớn.

Hình 1.1: Các dạng lõi thép kiểu bọc E-I

Hình 1.2: Các dạng lõi thép kiểu trụ U-I
1.3.2. Dây quấn:
Dây quấn MBA được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện hình tròn hoặc
hình chữ nhật, Bên ngoài dây quấn được bọc cách điện.
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


5

Dây quấn được tạo thành các bánh dây (gồm nhiều lớp) đặt vào trong trụ của lõi thép.
Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải cách
điện tốt với nhau. Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần
dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp.

Hình 1.5a

Hình 1.5b
Trong hình 1.5, cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn riêng trên 2 trụ 2 bên của lõi thép chữ U.
Trong hình 1.5b, cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn chung trên trụ giữa của lõi thép chữ E.
MBA thường có 2 hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng 1 trụ, thì dây
quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài. Làm như vậy sẽ giảm
được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm
được kích thước MBA.
Để làm mát và tăng cường cách điện cho MBA, người ta thường đặt lõi thép và dây
quấn trong 1 thùng chứa dầu MBA. Đối với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh
tản nhiệt và trong nhiều trường hợp phải làm mát bằng cách đặt quạt gió thổi vào các
cánh tản nhiệt. Ngoài ra còn có các sứ xuyên ra để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ
phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơle hơi để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết
bị chống ẩm v.v…
Dầu MBA: có tác dụng giải nhiệt và cách điện;
Ống dầu đối lưu: tăng cường giải nhiệt nhờ hiện tượng đối lưu;
Sứ cách điện: dùng để nối các đầu dây sơ cấp và thứ cấp ra ngoài;
Rơ-le hơi: khi áp suất trong máy biến áp tăng cao sẽ làm hở rơ-le hơi và phun dầu ra
ngoài, tránh nổ MBA.

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


6

§1.4. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT
1.4.1. Điện áp định mức:
- Điện áp sơ cấp định mức: U1đm (V, kV) là điện áp nguồn cung cấp vào cuộn sơ cấp;
- Điện áp thứ cấp định mức: U2đm (V, kV) là điện áp bên thứ cấp khi không tải và

điện áp đặt vào sơ cấp là định mức.
1.4.2. Công suất định mức:
Công suất biểu kiến thứ cấp cung cấp cho tải: Sđm (VA, kVA), đặc trưng cho khả
năng chuyển tải năng lượng của máy:
- MBA 1 pha: Sđm = U2đm. I2đm (VA, kVA)
- MBA 3 pha: Sđm = U2đm¬.I2đm (VA, kVA)
1.4.3. Dòng điện định mức:
- Dòng điện sơ cấp định mức: I1đm (A) tương ứng với công suất và điện áp định mức
bên sơ cấp:
MBA 1 pha: I 1dm 

S1dm
U 1dm

MBA 3 pha: I 1dm 

S dm
3U 1dm

- Dòng điện thứ cấp định mức: I2đm (A) tương ứng với công suất và điện áp thứ cấp
định mức.
MBA 1 pha: I 2 dm 

Sdm
U 2 dm

MBA 3 pha I 2 dm 

S dm
3U 2 dm

1.4.4. Tần số định mức: fđm(Hz) tần số nguồn điện đặt vào sơ cấp.
1.4.5. Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un% là điện áp cấp vào sơ cấp khi thứ cấp bị
nối tắt.
1.4.6. Tổ nối dâu của MBA:
Đối với MBA 3 pha, tổ nối dây cho biết kiểu nối dây của sơ cấp và thứ cấp, đồng thời
cho biết góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấp và thứ cấp.
§1.5. THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP CÁCH LY 1 PHA
Để thiết kế máy biến áp, ta cần thiết kế khuôn giấy và khuôn gỗ cho dây quấn.
1.5.1. Xác định các kích thước:
akh = a + (1 đến 2mm)

(kh: khuôn)

bkh = b + (1 đến 2mm)
Hhd = h – [2ckh + (1 đến 2mm)]

(hd: hiệu dụng)

trong đó: Hhd: chiều cao hiệu dụng
ckh: bề dầy giấy cách điện làm khuôn
b: bề dầy mạch từ đã nhân với hệ số ghép fer
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


7
c
b

Hình 1.7: Kích thước lõi chữ E
a

h

1.5.2. Cắt khuôn:
3-4mm
hhd

akh

bkh

akh

bkh

akh

Hình 1.8a: Kích thước khuôn giấy cách điện

Hình 1.8b:
1.5.3. Các bước tính toán:
Bước 1:
- MBA có số liệu U1, U2, I2: 220V, 110V, 10A.
- Công suất biểu kiến ở thứ cấp:
S2 = U2.I2 = 110 . 10 = 1.100VA
Bước 2: Tính tiết diện của lõi thép theo lý thuyết
At  1,423.k hd .

S2
1100
1,423.1.
 47,2
B
1

Với:
khd là hệ số hình dạng lõi thép kiểu E I, chọn khd = 1
At là tiết diện tính toán,
B là cảm ứng từ, chọn B = 1 Tesla.
Tính tiết diện của lõi thép theo thực tế:
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


8

(chọn kf = đến 0,95)

At = a.b.kf
At = a.b.0,95  a.b = 49,68

Bước 3: Tính số vòng dây, đường kính dây
Số vòng dây cho 1 volt:
NV 

10 4

10 4

 0,9vòng / V
4,44. f . At B 4,44.50.49,68.1

Số vòng dây của cuộn sơ cấp: N1 = NV .U1 = 0,9.220 = 198 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp: N2 = NV .U2.Ch = 0,9.110.1,16 = 114 vòng
số sụt áp được tra trong bảng là 1.16%)

(Ch: hệ

Dòng điện định mức ở sơ cấp:
I1 

S2
1100

 5,55 A
U 1 0,9.220

(: hiệu suất của biến áp được chọn là 90%)

Đường kính dây của cuộn sơ và cuộn thứ :
I
5,5
 1.13
 1,08mm 2
J cp
6 / mm 2

d  1,13

Với:

JCP: mật độ dòng điện cho phép (JCP của dây đồng là 6A/mm2)

- Bước 4: Kiểm tra hệ số lắp đầy:
k LD 

(từ 0,36 đến 0,46)

tong.dien.tich.day.quan.  be.day.cach.dien
dien.tich.cua.so.lap.day

SL 

Với số lớp của cuộn dây:
Số vòng/lớp =

H hd . k q

d

so.vong.cuon.day
so.vong / lop

kq = 0,9 – 0,95

Hhd: chiều cao hiệu dụng
d: đường kính dây kể cả cách điện

Diện tích cửa sổ:

c.h.3/4a2

Tính toán thực tế:
U1 = 220 V
U2 = 110 V
I2 = 10 A
*Công suất biểu kiến ở thứ cấp :
S2 = U2 . I2 = 110 . 10 = 1100VA
*Tiết diện của lõi thép theo lý thuyết :

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


9

(Chọn

At
 1,423.1.

=1

)

1100
2

= 47,2 cm
1

*Một lá thép có bề dày 0,35 ÷ 0,5mm
Chọn bề dày lá thép là 0,5mm = 0,05cm
*Tiết diện lõi thép trong thực tế :
At =

a.b.kf

(Chọn hệ số ghép
a.b =

= 0,95

= 70,257 cm²

Ta có thể chọn

khi a = b, và

khi b = 1,5a

Suy ra : amax = 7,05 cm và amin = 5,75 cm  a = 5,75 ÷ 7,05 cm
Chọn a = 6,5 cm  b = 7cm
Trong đó: b = bề dày lá thép × tống số lá thép
Tổng số lá thép sử dụng là 176 lá  b = 8,8 cm
Tính lại chính xác giá trị At:
At = a.b = 6,5.7 = 45,5cm2
*Ta sử dụng dây quấn từ dây đồng có mật độ dòng điện cho phép

Jcp = 6A/mm²
*Đường kính dây quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp
d1  1,13

5,5
 1,08mm
6

d 2  1,13

11
 1,53mm
6

*Đường kính dây quấn có lớp cách điện của mỗi cuộn dây
d1 = 1,08 + 0,05 = 1,13 mm
d2 = 1,53 + 0,5 = 1,58 mm
*Lõi thép E,I có kích thưóc đúng tiêu chuẩn như sau (Hình 1.2)
Bế rộng cửa sổ là

c = = = 4 cm

Bề cao cửa sổ là

h=

=

= 12 cm

Diện tích cửa sổ mạch từ :
Acs = c . h = a² = 48 cm²
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


10

*Ta có khối lượng riêng của thép kỹ thuật điện là Pthép = 7,8kg/dm3 = 7,8g/cm3.
Khối lượng lõi thép:
Wth = 6a²b.7,8 = 6. 6,5².7.7,8 (gam) = 13,8kg
*Số vòng dây 1 lớp cuộn sơ cấp =

=

*Số lớp quấn dây cuộn sơ cấp =

=

= 65 vòng (Chọn kq = 0,9)
= 2.16 lớp = 3 lớp

*Số vòng dây 1 lớp cuộn thứ cấp =

=

*Số lớp quấn dây cuộn thứ cấp =

=

= 48 vòng (Chọn kq = 0,9)
= 1,47 lớp = 2 lớp

= 3 × (1,55 mm + 0,446 mm) = 5,988 mm
*Khối lượng dây đồng sử dụng để quấn máy biến áp:
Biết khối lượng riêng của đồng là 8,9.103kg/m3
Khối lượng dây = chiều dài dây x tiết diện dây x khối lượng riêng
Chiều dài dây sơ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây sơ cấp =
= 2.(6,5 +7).141= 30,8 m
Tiết diện dây sơ cấp = 3,14. d12 / 4 = 3,14 . 1,552/4 = 3,54 mm2
Khối lượng dây sơ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng
= 30,8 . 3,54.10-6 . 8,9.103 = 997g
Chiều dài dây thứ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây thứ cấp =
= 2.(6,5 + 7).71= 19,17m
Tiết diện dây thứ cấp = 3,14. d22 / 4 = 3,14.2,112/4 = 3,49 mm2
Khối lượng dây thứ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng
= 19,17 . 3,49 . 10-6. 8,9 . 103 = 595g
Tổng khối lượng đồng quấn máy biến áp trên là 997 g + 595 g = 1,56kg
Vậy:

Khối lượng thép cần là:13,8 kg
Khối lượng đồng cần là: 1,56kg

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


11

Chương 2:

ĐỔI ĐIỆN DÙNG DIMMER

§2.1. TRIAC
Triac được viết tắt bởi triod AC semiconductor switch (công tắc bán dẫn xoay chiều ba
cực).
2.1.1. Cấu tạo
Về cấu tạo triac gồm các lớp bán dẫn P-N ghép nối tiếp nhau như hình 2.1a và được
nối ra ba chân, hai chân đầu cuối gọi là T1 - T2 và một chân là cực cửa G. Hình 2.1b là
cấu tạo bán dẫn tương đương của triac.
Từ cấu tạo hình 2.1, triac có ký hiệu như hình 2.2 và cũng được coi như hai SCR ghép
song song và ngược chiều.

Hình 2.1: Ký hiệu và hình dáng triac

T2

T2

PN

T2

P
G

G

N

G

P

N
P

P

N

P
N

+

N

-

N

T1

P

T1

Hình 2.1a

T1

Hình 2.1b
T2

T2

G

T2

G
T1

Hình 2.2a: Ký hiệu của triac
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

G
T1

T1

Hình 2.2b: Triac tương đương 2 SCR
Khoa Điện – Điện tử


12

2.1.2. Nguyên lý
Theo cấu tạo, một triac được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều nên
khi khảo sát đặc tính của triac, người ta khảo sát như thí nghiệm trên hai SCR.
1- Khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì triac dẫn điện
theo chiều từ T2 qua T1 (hình 2.3a).
2- Khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thì triac dẫn điện theo
chiều từ T1 qua T2 (hình 2.3b).
3- Khi triac được dùng trong mạch điện xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán
kỳ dương cực G cần được kích xung dương, khi nguồn có bán kỳ âm cực G cần được
kích xung âm. Triac cho dòng điện qua cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp trên
hai cực T1-T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong mạch điện xoay
chiều (hình 2.3c) .
Tải
T2

+
-

R

VDC

Tải

IL

T2

-

G

R

+

T1
Hình 2.3a

VDC

G

T1

IL

Hình 2.3b

Tải

T2
R

VAC
G

T1

Hình 2.3c

2.1.3. Đặc tính
Triac có đặc tính vôn ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua điểm O. Hai phần này giống
như đặc tuyến của SCR mắc ngược chiều nhau.

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


13

Hình 2.4: Đặc tính vôn-ampe của triac
2.1.4. Các phương thức kích triac
Theo phần nguyên lý của triac thì triac cần được kích xung dương khi cực T 2 có điện
áp dương và cần được kích xung âm khi cực T2 có điện áp âm.
Thực ra triac có thể kích bằng bốn phương thức như hình 2.5, trong đó cách thứ nhất
và cách thứ hai được coi là cách kích thuận vì đúng theo nguyên lý và chỉ cần dòng
điện kích trị số nhỏ hơn so với cách thứ ba và cách thứ tư.
- T2

+ T2

+

G

G

- T1

VT2 > 0V, VG > 0V

Hình 2.5a: Phương thức 1

VT2 < 0V, VG < 0V

Hình 2.5b: Phương thức 2

+ T2

G

- T1

VT2 > 0V, VG < 0V

Hình 2.5c: Phương thức 3

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

+ T1

- T2

+

G

+ T1

VT2 < 0V, VG > 0V

Hình 2.5 d: Phương thức 4

Khoa Điện – Điện tử


14

§2.2. ỨNG DỤNG CỦA TRIAC VÀ DIAC
Hình 2.6a là nguyên tắc mạch điều khiển triac để thay đổi dòng điện cung cấp cho tải.
Mạch dịch pha có tác dụng thay đổi thời điểm cho ra xung kích cực G của triac sớm
hay trễ, mạch phát xung thường là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy hay diac
nhằm khống chế điện áp lên cực G.
Tải

Hình 2.6a: Mạch điều khiển

AC

dòng điện qua tải dùng triac

Phát xung

Dịch pha

Hình 2.6b: Dạng điện áp trên SCR và triac Hình 2.6c: Dạng điện áp nguồn và trên tải
Hình 2.7 là mạch điều khiển triac đơn giản dùng cho các loại tải có công suất nhỏ. Ở
mỗi bán kỳ của nguồn điện xoay chiều cực G của triac đều được kích bằng điện áp

thích hợp theo cách kích thuận nên triac dẫn điện liên tục cả hai bán kỳ, khi công tắc S
ở vị trí ON. Khi công tắc S ở vị trí AUTO thì tùy thuộc trạng thái của tiếp điểm K, tiếp
điểm K có thể là bộ điều nhiệt tự động (thermostat) hay bộ điều áp tự động (Pressotat)
hay các loại công tắc giới hạn.
Hình 2.8 là mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac, diac kết hợp với quang trở
CdS để tác động theo ánh sáng. Khi CdS được chiếu sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm
điện áp nạp được trên tụ C thấp, diac không dẫn điện và triac không được kích nên
R CdS bị che tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện áp trên tụ
không có dòng qua tải. Khi
C tăng cao đến mức đủ để diac dẫn điện và triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua
tải. Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo vệ, khi trời tối
C
thì đèn tự động sáng.
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


15

220
Tải

Tải

220V

220
V

K
OFF
S

Cd
AUT
O

S

Hình 2.8

ON

Hình 2.7

Hình 2.9 là mạch điều khiển triac dùng transistor đơn nối và biến áp xung T. Trong
mạch này transistor là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy và qua biến áp xung
tạo điện áp kích cho cực G của triac, phụ thuộc trị số của R1 mà thời điểm có xung
điện sớm hay trễ. Biến áp xung T có tác dụng cách ly điện áp giữa mạch công suất trên
tải và mạch điều khiển để đảm bảo an toàn về điện. Trong các mạch cần có sự đồng bộ
giữa xung kích và nguồn xoay chiều cung cấp cho tải thì nguồn điện cung cấp cho
mạch điều khiển có thể lấy từ nguồn xoay chiều 220V, giảm áp rồi qua mạch nắn điện
không lọc điện. Lúc đó, điện áp nguồn cung cấp cho mạch điều khiển có dạng là
những bán kỳ dương gợn sóng và ứng với mỗi bán kỳ của mỗi dòng điện xoay chiều sẽ
có một xung nảy để kích cho cực G của triac (hình 2.10).
Tải
R

Hình 2.9

R

220V
T

+
-

T

12
CV

Trong mạch điện hình 2.6e, cả hai bán kỳ dương và âm của nguồn xoay chiều cung
cấp cho tải cực G của triac đều được kích bằng xung nảy dương.

Hình 2.10
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


16

Chương 3:

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HIỆN CÓ

THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP 220VAV/110VAC-10A

§3.1. BỘ CHUYỂN ĐỔI HÃNG ROBOTECH
22k/2W
FUSE
Vout

220k
100k
DB3

220VAC

BT138

104

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối mạch bên trong thiết bị Robotech
3.1.1. Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch:
Vai trò các linh kiện trong mạch:
-

Cầu chì: bảo vệ mạch

-

Điện trở 22k: phụ tải trong mạch

-

Điện trở 220k: hạn dòng

-

Biến trở 100k: điều chỉnh thời gian kích Triac

-

Diac DB3: định ngưỡng điện áp vào cực G Triac

-

Triac BT138: điều khiển điện áp trên tải

-

Tụ C104: Tạo điện áp ngưỡng để kích Triac

Nguyên lý hoạt động:
Mạch hoạt động theo nguyên tắc dùng RC điều khiển Triac. Khi cấp nguồn, tại
thời điểm VAC đảo chiều (VAC = 0V), Triac chưa dẫn, tụ C nạp qua điện trở 220k và
biến trở 100k. Khi tụ nạp đến điện áp đủ để qua Diac cấp phân cực cho cực G Triac,
Triac dẫn đến cuối bán kỳ. Như vậy, điện áp biến thiên trên tụ C ảnh hưởng đến thời
điểm dẫn của Triac. Khi thay đổi giá trị biến trở, hằng số thời gian nạp tụ thay đổi, thời
điểm kích Triac thay đổi, khoảng thời gian dẫn dòng điện của Triac thay đổi, điều
chỉnh được điện áp và dòng điện đưa vào tải.
Trong trường hợp này, ta cần điện áp ngõ ra là 110VAC, bằng ½ so với điện áp
nguồn. Do đó, ta cần điều chỉnh biến trở để có góc kích là 90o.
3.1.2. Tín hiệu khảo sát thực tế:
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử

17

 Dùng VOM:
Không tải:

Vin = 220VAC, Vout = 55VAC

Tải là đèn 220V/60W:

Vin = 220VAC, Vout = 80VAC

 Dùng dao động ký số:
(Các giá trị điện áp được đọc ở đỉnh một bán kỳ của tín hiệu và que đo tín hiệu được
chỉnh ở thang x10 và hiển thị 50V/0.12div).
§3.2. NHẬN XÉT:
Ưu điểm:
-

Mạch đơn giản, dễ chế tạo.

-

Không cần sử dụng biến áp nhờ đó kích thước nhỏ gọn.

-

Giá thành sản xuất thấp.

Khuyết điểm:

- Sản phẩm còn thô sơ, một số chi tiết chưa đảm bảo an toàn.
- Chưa ra dạng sin chuẩn nên giới hạn tải sử dụng.
- Điện áp ra không cố định 110V cho các tải khác nhau.
- Khi không tải, góc kích là 144o, chưa đạt yêu cầu về góc kích 90o

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


18

PHẦN 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
CHƯƠNG 4:

BỘ ĐỔI ĐIỆN 220V/110V KHÔNG BIẾN ÁP
DÙNG KỸ THUẬT XUNG
MẠCH CHUYỂN ĐỔI AC/AC KỸ THUẬT SỐ

§4.1. TỔNG QUAN
Mạch chuyển đổi AC/AC được sử dụng để chuyển đổi một nguồn điện AC vào một
ứng dụng nguồn AC khác. Thường sử dụng các ứng dụng sau đây:
- bộ điều khiển AC/AC một pha;
- bộ điều khiển AC/AC ba pha;
- chuyển đổi AC/DC/AC điều chế độ rộng xung (PWM: pulse width
modulation).
Các bộ chuyển đổi AC/AC chuyển đổi nguồn điện áp cao thành nguồn có điện áp thấp
hơn có cùng tần số với góc pha bị trì hoãn.

Các bộ chuyển đổi AC/DC/AC chuyển đổi từ nguồn AC điện áp cao thông qua nguồn
DC, sau đó, đổi ngược lại nguồn AC cho tải có điện áp thấp hơn và tần số thay đổi
được.
Các chuyển đổi ma trận AC/AC trực tiếp đổi từ nguồn AC cấp cho tải ngõ ra có điện
áp thấp hơn và tần số thay đổi được.
§4.2. MẠCH ĐIỀU KHIỂN AC/AC MỘT PHA
Mạch điều khiển AC/AC một pha có 3 phương pháp điều khiển:
- Điều khiển góc pha,
- Điều khiển on/off,
- Điều khiển bộ chopper AC PWM
Tất cả các phương pháp điều khiển trên đều có điện áp ra thấp hơn điện áp vào, cùng
tần số hoặc thấp hơn tần số nguồn vào.
4.2.1. Điều khiển góc pha
Mạch cơ bản của bộ chuyển đổi AC/AC một pha điều khiển góc pha gồm 2 SCR ghép
song song ngược chiều như hình 4.1a. Cách điều khiển này cho ra dạng sóng toàn kỳ
điều khiển đối xứng 2 chiều và có thể thay bằng một triac như hình 4.1b cho các tải
công suất thấp.
Mạch hình 4.1c có hai diod và hai SCR nối catod chung sẽ được kích dẫn luân phiên
để đơn giản các mạch kích cực G mà không cần cách ly.
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


19

Mạch hình 4.1d với một SCR và bốn diod để giảm chi phí thiết bị nhưng với tăng tổn
thất trên thiết bị. Một SCR kết hợp diode, được xem như một thyrode có điều khiển
trong mạch hình 4.1e, cung cấp một bán kỳ có điều khiển và một bán kỳ không điều
khiển.

Hình 4.1: Mạch điều khiển AC/AC một pha
Khi điều khiển góc pha cho mạch toàn kỳ đối xứng, cực G của T1 kích ở góc α thì cực
G của T2 kích ở góc π + α (hình 4.2), dòng điện cấp cho tải được điều khiển điện áp
trong từng nửa chu kỳ. Hình 4.2a cho thấy dạng điện áp nguồn VS và dạng dòng điện
tải một pha ở hai bán kỳ AC với tải thuần trở. Điện áp ra và dòng điện ra có tính đối
xứng trên từng bán kỳ nên không có thành phần DC.
Hình 4.2b và 4.2c là dạng xung kích cho cực G 1 và cực G2 với góc lệch pha giữa 2
xung là π. Hình 4.2d là dạng điện áp ra trên tải thuần trở, hình 4.5e là dạng điện áp rơi
trên 2 SCR khi mạch hoạt động.
Hình 4.3 cho thấy dạng điện áp và dạng dòng điện cho bộ điều khiển mạch hình 3.1a
với tải R-L. Do điện cảm L, dòng điện cấp bởi T1 không về 0 tại thời điểm ωt = π, khi
điện áp ngõ vào đi xuống mức âm và dòng điện có thể tiếp tục cho đến khi ωt = β,
dòng điện mới về 0 (hình 4.3a).

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


20

Hình 4.2: Mạch AC/AC một pha điều khiển góc pha, tải R

Hình 4.3: Mạch AC/AC một pha điều khiển góc pha, tải R-L
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử

21

Hình 4.3a cho thấy dạng điện áp nguồn VS và dạng dòng điện tải một pha ở hai bán kỳ
AC với tải R-L, γ là góc kích trễ của từng bán kỳ. Hình 4.3b là dạng điện áp ra trên tải
R-L, hình 4.3c là dạng điện áp rơi trên 2 SCR khi mạch hoạt động.
4.2.2. Điều khiển On/Off
Khi điều khiển On/Off, các công-tắc kết nối tải một vài chu kỳ của điện áp vào và
ngắt kết nối trong vài chu kỳ tiếp theo.
Điều khiển On/Off thay cho điều khiển góc pha là phương pháp tích phân các chu kỳ.
Các bộ chuyển mạch được điều khiển On trong thời gian tn với n chu kỳ được tích
hợp, được điều khiển Off trong thời gian tm với m chu kỳ được loại bỏ (hình 7.4).
Với cách điều khiển này, các SCR hay triac được điều khiển On hay Off tại thời điểm
0 của chu kỳ. Như vậy, sóng hài và tần số nhiễu sẽ rất thấp.

Hình 4.4: Mạch AC/AC một pha điều khiển On/Off
Hình 4.4a: thời gian tn dẫn 3 chu kỳ, thời gian tm ngắt 2 chu kỳ, hình 4.4b: hệ số công
suất với k là chu trình làm việc.
Cho điện áp vào hình sin: v(t )  2VS sin t
Điện áp hiệu dụng ra là:

VO  VS k

Chu trình làm việc k là:

k

Hệ số công suất là:

PF  k

n
nm

4.2.3. Điều khiển dùng bộ chopper AC PWM

Hình 4.5: Mạch chuyển đổi AC/AC một pha dùng PWM
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


22

Để có thể cải thiện về sóng hài, hiệu suất của bộ điều khiển điện áp AC, chất lượng
của dòng điện ra và hệ công suất ngõ vào, có thể dùng phương pháp điều khiển PWM
bằng bộ chopper PWM AC.
Khi điều khiển mạch chuyển đổi AC/AC dùng chopper AC hoặc bộ điều khiển điện áp
PWM AC, các công-tắc được đóng và ngắt nhiều lần trong nửa chu kỳ điện áp vào. Sơ
đồ điều khiển dùng bộ chopper một pha như hình 4.5.

Hình 4.6: Dạng sóng điện áp, dòng điện mạch chuyển đổi AC/AC một pha dùng
chopper PWM
Trong sơ đồ, công-tắc S1 và S2 được điều khiển dẫn và ngắt nhiều lần trong bán kỳ
dương và âm của điện áp vào, tương ứng S‘1 và S‘2 được điều khiển dẫn để tải xả điện
khi S1 và S2 đang ngưng. Một tụ điện lọc ở ngõ vào có thể được thiết kế để giảm ảnh
hưởng của mạch ngắt dẫn tần số cao và cũng để nâng cao hệ số công suất ngõ vào.
Hình 4.6 là dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của mạch một pha dùng chopper
PWM. Chỉ số điều chế m có thể thay đổi từ 0 đến 1.

Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


23

CHƯƠNG 5:

THIẾT KẾ BỘ ĐỔI ĐIỆN 220V/110V
KHÔNG BIẾN ÁP DÙNG KỸ THUẬT XUNG

§5.1. SƠ ĐỒ KHỐI
220V
50Hz

Khối giảm áp

Khối nắn
điện, lọc điện

Mạch tạo
xung tần số
cao

220V – 50Hz

Mạch công
suất

Mạch cách ly

Tải 1 pha
110V
Hình 5.1: Sơ đồ khối bộ đổi điện 220V/110V

Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp dùng kỹ thuật xung có sơ đồ khối như
hình 5.1. Nhiêm vụ của các khối sẽ được phân tích trong các phần sau.
§5.2. KHỐI GIẢM ÁP
Do yêu cầu của đề tài là không dùng biến áp nên mạch giảm áp này dùng tu C kết hợp
điện trỡ R để giảm áp.
Hình 5.2a là mạch giảm áp dùng RC (C = 1,1µF, R = 390kΩ) trong khối nguồn..

Hình 5.2a: Mạch giảm áp

Hình 5.2b: Sơ đồ khối nguồn
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


24

§5.3. KHỐI NẮN ĐIỆN, LỌC ĐIỆN, ỔN ÁP CHO NGUỒN ĐỐI XỨNG
Để cấp nguồn cho khối công suất dùng 2 MOSFET bổ phụ cần 2 nguồn đối xứng,
mạch cấp điện DC được chọn là mạch nắn điện bán kỳ có lọc điện dùng 2 diod để tạo
nguồn ±VCC .
Hình 5.3 là mạch nắn điên bán kỳ, lọc điện dùng 2 diod để tạo nguồn ±VCC. Hai diod
zener có tác dụng ổn áp cho mạch nguồn DC ở mức ±12V.

Hình 5.3: Mạch nắn điện, lọc điện, ổn áp

§5.4. MẠCH TẠO XUNG TẦN SỐ CAO
Mạch tạo xung tần số cao dùng IC 555 là mạch đa hài phi ổn có thể điều chỉnh độ
rộng xung.
5.4.1. Mạch phi ổn cơ bản
+VCC=12V

INạp
RA

8

4

7

RB

IXả

6

555

3

2

R1=1,2k
1

5
0.01

C

Hình 5.4: Mạch đa hài phi ổn
Sơ đồ mạch hình 5.4 là ứng dụng của IC 555 làm mạch đa hài phi ổn để tạo xung
vuông.
Trong mạch, chân ngưỡng (Threshold) số 6 được nối với chân nảy (Trigger) số 2 nên
hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so với điện áp chuẩn 2/3V CC và
1/3VCC bởi OP-AMP (1) và OP-AMP (2). Chân 5 có tụ nhỏ .01 nối mass lọc nhiễu tần
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử


25

số cao có thể làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3VCC. Chân 4 nối nguồn +VCC nên không
dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa hai điện trở RA và RB tạo
đường xả điện cho tụ. Ngõ ra chân 3 có điện trở giới hạn dòng 1,2k và Led để biểu
thị mức điện áp ra (chỉ có thể dùng trong trường hợp tần số dao động thấp từ 20Hz trở
xuống vì ở tần số cao hơn 40Hz trạng thái sáng và tắt của Led khó có thể nhận biết
bằng mắt thường).
Khi mới đóng điện tụ C bắt đầu nạp từ 0V lên nên:
- OP-AMP (1) có VI+ < VI- , ngõ ra VO1 = mức thấp, ngõ R = “0” (mức thấp).
- OP-AMP (2) có Vi+ > Vi- , ngõ ra VO2 = mức cao, ngõ S= “1” (mức cao).
- Mạch F/F có ngõ S = 1 nên Q = 1 và Q = 0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có VO  VCC
(do qua mạch đảo) làm Led sáng.
- Transistor T2 có VB2 = 0V do Q = “0”, T2 ngưng dẫn và để tụ C được nạp điện.

Tụ C nạp điện qua RA, RB với hằng số thời gian khi nạp:
nạp = (RA + RB) C
Khi điện áp trên tụ tăng đến 1/3VCC thì OP-AMP (2) đổi trạng thái, ngõ ra có VO2 =
mức thấp, ngõ S = “0” (mức thấp). Khi S xuống mức thấp thì F/F không đổi trạng thái
nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức cao, Led vẫn sáng.
Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 2/3VCC thì OP-AMP (1) đổi trạng thái, ngõ ra có VO1
= mức cao, ngõ R= “1”.
- Mạch F/F có ngõ R = 1 nên Q = “1”, lúc đó chân 3 có VO  0V làm Led tắt. Khi
ngõ Q = “1” sẽ làm T2 dẫn bão hòa và chân 7 nối mass làm tụ C không nạp tiếp điện
áp được mà phải xả điện qua RB và transistor T2 xuống mass.
Tụ C xả điện qua RB với hằng số thời gian:
xả = RB.C
Khi điện áp trên tụ (tức là điện áp chân 2 và chân 6) giảm xuống dưới 2/3V CC thì OPAMP (1) đổi trở lại trạng thái cũ là VO1 = mức thấp, ngõ R = “0”. Khi R xuống mức
thấp thì F/F không đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức thấp, Led vẫn tắt. Khi
điện áp trên tụ giảm xuống đến mức 1/3VCC thì OP-AMP (2) lại có VI+ > VI- nên ngõ
ra VO2 = mức cao, ngõ S = “1”. Mạch F/F có ngõ S = “1” nên Q = “1” và Q = “0”, ngõ
ra chân 3 qua mạch đảo có VO +VCC làm Led lại sáng, đồng thời lúc đó T2 mất phân
cực do Q = “0” nên ngưng dẫn đồng thới chấm dứt giai đoạn xả điện của tụ. Như vậy,
mạch đã trở lại trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện từ mức 1/3VCC lên mức 2/3VCC ,
hiện tượng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn.
Lưu ý: Khi mở điện tụ C sẽ nạp điện từ 0V lên 2/3VCC rồi sau đó tụ xả điện từ 2/3VCC
xuống 1/3 VCC chứ không xả xuống 0V. Những chu kỳ sau tụ nạp từ 1/3VCC lên
2/3VCC chứ không nạp từ 0V nữa.
Thời gian tụ nạp là thời gian VO  +VCC, Led sáng. Thời gian tụ xả là thời gian VO 
0V, Led tắt.
Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp

Khoa Điện – Điện tử