Giáo trình Lắp mạch điện tử công suất (Nghề: Điện dân dụng) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

BÀI GIẢNG
MÔ ĐUN: LẮP MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG
( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2019

1


LỜI GIỚI THIỆU

Điện tử công suất ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực cơng nghiệp mà cịn có
mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế
theo phương thức cơng nghiệp hóa. Vì vậy Bài giảng Lắp mạch điện tử công suất không thể
thiếu được trong q trình nghiên cứu học tập của mơ đun.
Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử cơng suất tuy nhiên lại không phù hợp với học
sinh, sinh viên học nghề. Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ
dàng tiếp cận tơi viết bài giảng này. Bài giảng “ Lắp mạch điện tử công suất” gồm 3 bài:

Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất
Bài 2: Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu
Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều
Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các
bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn. Dù đã cố gắng
nhưng khơng thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc.

Xin chân thành cảm ơn
Lào Cai, ngày …..tháng …..năm……
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Phạm Thị Huê

2


MỤC LỤC
Trang
1

Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất
1. Diode
2. Transistor
3. Thyristor SCR
4. Diac
5. Triac
6. IGBT
7. Mạch ứng dụng

4
4
6
10
12
14
15
16

2

Bài 2: Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu
1. Bộ chỉnh lưu
2. Bộ nghịch lưu

20
20
54

3

Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều
1. Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng SCR
2. Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng triac

59
59
60

3


Bài 1:
KIỂM TRA VÀ THAY THẾ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1. Diode
Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Diode
có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp
bán dẫn kiểu n. Dịng điện chỉ chạy qua điơt theo chiều từ A đến K khi điện áp

UAK dương. Khi U AK âm, dịng qua điơt gần như bằng khơng. Cấu tạo và ký hiệu
của Diode nh­ trên hình 1.1
1.1 Cấu tạo
Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ
bản trong cấu tạo của một Diode. Ở
nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do
trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán
sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi
a)

các ion dương ở đây. Do các điện tích

b)

trong vùng tiếp giáp tự trung hồ lẫn
Hình: 1.1

nhau nên vùng này trở nên nghèo điện
tích, hay là vùng có điện trở lớn. Tuy

a) Cấu tạo;

b) Ký hiệu

nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở
rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ
để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào
lớp các điện tử hố trị ngồi cùng, tạo nên các ion âm. Các ion này nằm trong
cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả
tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở

phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng
n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang
vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một
nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt
độ 250C (hình 1.2).
Các điơt cơng suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất
định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo
giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn.

4


Khi lớp tiếp giáp p - nđược đặt dưới tác dụng của
điện áp bên ngoài, nếu điện
trường ngoài cùng chiều với
điện trường E thì vùng nghèo
điện tích sẽ mở rộng sang
vùng n- điện trở tương đương

Uj

của điôt càng lớn và dịng điện
khơng thể chạy qua. Tồn bộ Hình: 1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong
điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng tiếp giáp p-n
nghèo điện tích. Ta nói rằng
điơt bị phân cực ngược.

n-

na)

b)

Hình: 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

1.2 Đặc tính vơn-ampe của diode:
Một số tính chất của diode trong q trình làm việc có thể được giải thích
thơng qua việc xem xét đặc tính vơn-ampe của diode trên hình 1.4a. Đặc tính
gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0,
đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với U AK < 0.
Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi
vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dịng có thể chảy qua diode. Dßng
điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iơt U AK hầu như ít thay
đổi. Như vậy đặc tính thuận của diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương
đương nhỏ.
Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị
Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dịng điện qua điơt vẫn có giá trị rất
nhỏ, gọi là dịng rị, nghĩa là điơt cản trở dịng điện theo chiều ngược. Cho đến
khi U AK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dịng qua điơt tăng đột ngột,
5


tính chất cản trở dịng điện ngược của diode bị phá vỡ. Q trình này khơng có
tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anơt-catơt thì dịng điện vẫn
khơng giảm. Ta nói điơt đã bị đánh thủng.
Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính tốn, người ta thường dïng đặc
tính khi dẫn dịng, tuyến tính hố điơt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc
tính này có thể biểu diễn qua cơng thức:
u D U D.0 r D .I D

Trong đó: r D 

U
là điện trở tương đương của điơt khi dẫn dịng.
I D

Đặc tính vơn-ampe của các diode thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào
dòng điện cho phép chạy qua diode và điện áp ngược lớn nhất mà điơt có thể
chịu được. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý
tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng,
điơt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa
là, theo đặc tính lý tưởng, diode có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi
khoá bằng .
iD

iD

U ng. max

U D .0

U D.0

U D .0

Hình 1.4. Đặc tính vơn-ampe của diode:
a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng
cảm.
2. Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor)
2.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT

6


Tranzito là phần tử
bán dẫn có cấu trúc bán dẫn
gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p
(bóng thuận) hoặc n-p-n
n-

(bóng ngược), tạo nên hai
tiếp giáp p-n. Cấu trúc này
thường được gọi là Bipolar

a)

Junction Tranzitor (BJT) vì

b)

dịng điện chạy trong cấu
trúc này bao gồm cả hai loại
điện tích âm và dương.

Hình 1.5. a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là
loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất
được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh
thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E.

Trong chế độ tuyến tÝnh hay cịn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử
khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dịng bazơ (dịng điều
khiển), trong đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IC = .IB
Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một
phần tử khố. Khi mở dịng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:
IB 

IC


hay

I B  k bh

IC


Trong đó: kbh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hồ. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ
bão hồ với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp
bão hoà, UCE.bh.
Khi khố, dịng điều khiển IB bằng khơng, lúc đó dịng colectơ gần bằng
không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối
tiếp với tranzito.
Tổn hao cơng suất trên tranzito bằng tích dịng điện colectơ với điện áp
rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá.
Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và BC đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên
vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n-. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác
định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu
7

tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ
tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp
giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là
tốc độ trung hồ quyết định dịng colectơ tỷ lệ với dịng bazơ, IC = .IB. Tranzito
ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp
B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư
thừa thì các điện tích sẽ khơng bị trung hồ hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở
nhỏ, dịng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hồ điện tích khơng kịp
nên tranzito khơng cịn khả năng khống chế dịng điện được nữa và giá trị dịng
điện sẽ hồn tồn do mạch ngồi quyết định. Đó là chế độ mở bão hồ.
2.2. Đặc tính đóng cắt của transistor
u B (t )
U B1

+ Un

C BC

u B (t )

RB

U B1

B
i B (t )

U B2

C BE

a)

Rt

i C (t )
C

E

U B2

0,7V

u BE (t )

U B2

i B1 ( t )

i B (t )

i B2 (t )

u CE ( t )
+ Un

I C .bh

i C (t )

b)

Hình 1.6. Q trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dịng điện, điện áp

Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các
tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích q trình đóng cắt của một
tranzito qua sơ đồ khố trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần
trở R t dưới điện áp +U n điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -U B2 đến +UB1 và
ngược lại. Dạng sóng dịng điện, điện áp cho trên hình 1.12b.
a. Quá trình mở

8


Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ
khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu
từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu
vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1.
Khi UBE cịn nhỏ hơn khơng , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ
Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện
áp rơi trên điơt theo chiều thuận, thì q trình nạp kết thúc. Dịng điện và điện áp
trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3).
Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng
bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dịng colêctơ. Các điện tử thốt ra
khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dịng
IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư

thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dịng bazơ khơng đổi:
I B1 

U B1 - U *
RB

Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:
I B1  i C .BE  i C .BC  i B

Trong đó:
iC.BE là dòng nạp của tụ CBE,
iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,
iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB.
Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là
IC(∞) = β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dịng IC đã đạt đến giá trị
bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB khơng cịn tác
dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực
thuận. V× khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ
UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3)
phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng
ngắn.
Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà
cuối cùng, xác định bởi biểu thức:
UCE.bh = Un – IC.bh.Rt

9


Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ
thuộc cấu tạo của BJT.

Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hồ.
b. Q trình khố BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ
trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngồi hầu
như khơng ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá.
Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6),
điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn khơng thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng
IB ngay lập tức sẽ có giá trị:
I B2 

U B2  U *
RB

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngồi bằng dịng khơng đổi IB2.
Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp
giáp bazơ – colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị
phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khố, td(off).
Trong khoảng (7), dịng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ
tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến
tính, trong đó dịng IC tỷ lệ với dịng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp
ngược, bằng –U n. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dịng điện tại
bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB
trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito. Từ đó có
thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực
thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khố
lại hồn tồn.
Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2.
Tranzito ở chế độ khố hồn tồn trong khoảng (9).
3. Thysistor SCR, Diac, Triac
3.1. Thiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba

tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như
được biểu diễn trên hình 1.10.

10


Q1
Q2

n+

J3
J2
J1

Hình 1.10. Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Đặc tính vơn-ampe của tiristo:
Đặc tính vơn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp
UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược,
tương ứng với trường hợp U AK < 0.
1. Trường hợp dịng điện vào cực điều khiển bằng khơng (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều
khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp
giữa anôt-catôt. Khi điện áp U AK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp
giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống
như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua tiristo chỉ có một dòng điện
nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất
Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất

lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điơt, q trình bị đánh thủng là q
trình khơng thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức
Ung.max thì dịng điện cũng khơng giảm được về mức dịng rị. Tiristo đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có
một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch
anơt-catơt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân
cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max,
sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anơt-catơt đột ngột giảm,
dịng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi. Nếu khi
đó dịng qua tiristo lớn hơn mức dịng tối thiểu, gọi là dịng duy trì Idt, thì khi đó
tiristo sẽ dẫn dịng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điơt.
Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dịng có thể có giá trị
lớn nhưng điện áp rơi trên anơt-catơt nhỏ và hầu như khơng phụ thuộc vào giá
trị của dịng điện.
11


iV

I G 3 I G 2 I G1

U ng. max

i dt

U v .thU th. max

Hình 1.11. Đặc tính vơn-ampe của tiristo

2. Trường hợp có dịng vào cực điều khiển (IG > 0)

Nếu có dịng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catơt, q trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi
điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Được mơ tả trên hình 1.6 bằng
những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,…
Nói chung, nếu dịng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Q trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ khơng có gì khác so với
trường hợp dịng điều khiển bằng 0.
4. Diac
4.1. Khái niệm, công dụng:
- Khái niệm: là một diode bán dẫn có q trình chuyển sang dẫn dòng
ngay khi điện áp rơi đạt mức đánh thủng VBO. Thuật ngữ DIAC là viết tắt
của Diode for alternating current ( diode cho dịng điện xoay chiều)
- Cơng dụng: Diac được sử dụng như diode zener trong các mạch điện
xoay chiều, thường dùng để kích cực Gate cho Triac tại điện áp xác định.
4.2. Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý làm việc:
- Cấu tạo

12


Hình 3.24 Sơ đồ cấu tạo diac

Diac cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp với nhau như một
Transistor lưỡng cực nhưng chỉ ra có hai chân nên được xem như một Transistor
lưỡng cực khơng có cực nền. Hai cực hai đầu được gọi là T1 và T2 và do tính
chất đối xứng của Diac nên không cần phân biệt T1 và T2 .
Thực tế khi sử dụng Diac, ta nhớ quan tâm 2 thông số: Dòng tải và áp giới
hạn. Thực tế áp giới hạn của Diac khoảng 20V-40V( cụ thể ta tra cứu sổ tay linh
kiện để biết chính xác).

- Ký hiệu :

Hình 3.25: Ký hiệu diac

Các mã đặc trưng của Diac cần biết:
. D...,

.N...;

.ST...;

.1N...;

Phía sau các dấu chấm là mã số quy chuẩn sản xuất để ta tra cứu sổ tay
linh kiện:
- Nguyên lý làm việc:

Hình 3.26 Phân cực cho Diac

Xét mạch trên nguồn V CC có thể chỉnh được từ thấp lên cao khi VCC có trị
số thấp thì dịng điện qua Diac chỉ là dịng điện rỉ có trị số rất nhỏ . Khi tăng điện
thế VCC lên một giá trị đủ lớn thì điện thế trên Diac bị giảm xuống và dòng điện
tăng lên nhanh. Điện thế này đươc gọi là điện thế ngập (Breakover) và dòng điện
qua Diac là dòng điện ngưỡng.
13


Điện thế của Diac có giá trị trong khoảng 20V đến 40V. Dịng điện có giá trị từ
vài chục đến vài trăm mA.
4.3. Các tham số đặc trưng.

Điện áp đánh thủng VBO: 20~200 V
Điện áp đánh thủng động ΔV= VBO-Vfoward: ±5~10 V (Vfoward: điện
áp khi diac dẫn, đo ở 10mA)
Điện trở trong trạng thái kháng cao: vài MΩ
Điện trở trong trạng thái kháng thấp: vài Ω
Dịng đỉnh và cơng suất tiêu hao tối đa
Với các ứng dụng cần tốc độ cao cần xét tới thời gian tăng dòng dẫn
(khoảng vài trăm ns cho đến vài us)
4.4. Cách đo và kiểm tra DIAC:
Ta dùng thang đo Rx10 đo vào hai đầu MT1và MT2 nếu:
- Khoảng lớn hơn vài trăm ôm là tốt
- Zero Ơm - bị nối tắt.
- Khơng lên Ơm - bị đứt.
5. Triac
Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu
trúc p-n-p-n thể hiện trên hình 1.8a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b,
có thể dẫn dịng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hồn tồn có thể
coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.13c.
T2

n

G

p
n

T2

n

p

G
n

T1
T1

b)

a)

c)

Hình 1.13. Triac:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;
c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược
Đặc tính vơn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ
I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được
biểu diễn trên hình 1.14a.
14


Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều
hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.
i A
Iv

T2

I G3 I G 2 I G1

R

I dt

G

u

0

T1

u v. th u th. max
b)

a)

Hình 1.14. a) Đặc tính vơn-ampe;
b) Điều khiển triac bằng dịng điều khiển âm
6. IGBT
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả
năng chịu tải lớn của tranzito thường. Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống
hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó cơng suất
điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.15 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một
IGBT.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có

thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ (tương tự
cực gốc) với colectơ (tương tự cực máng), khơng phải là n-n như ở MOSFET
(hình 1.29b). Có thể coi IGBT tương đương với một tranzito p-n-p với dịng
bazơ được điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.15b và c).
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang
điện là các điện tử được hình thành, giồn như cấu trúc MOSFET. Các điện tử di
chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n—p như ở cấu trúc giữa bazơ và
colectơ ở tranzito thường, tạo nên dòng colectơ.

15


n

p

n

n

p

n

n

p

n

n

p

n

n+
p

n+
p

i1

i2

Hình 1.15. IGBT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Cấu trúc tương đương với một tranzito
n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ tương đương; d) Ký hiệu
Bài tập thực hành
Lắp và khảo sát mạch điện dùng SCR điều khiển động cơ
* Mạch điện 1
L
D

220V

R1

SCR
VR

R3

C

R4

* Nguyên lý làm việc:
Giả sử ở nửa chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều dương ở a và âm ở b sẽ
có dịng điện nạp cho tụ C1 (theo mạch đi từ a → M→ D→ R1→ VR → c → b).
Sau thời gian nạp  = c1(R1 + Vr) thì tụ được nạp đầy, lúc này xuất hiện xung
điện áp đặt vào cực G của thyristor đủ để hình thành dịng điều khiển kích cho
thyristor mở. Khi có dịng điện IG thì SCR mở cho dịng chính AK cấp cho động
cơ làm việc (theo mạch đi từ a →M→ ASCR → K SCR → b). Từ biểu thức
=
c1(R1 + Vr) cho thấy khi thay đổi vị trí của VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của
tụ tức là thay đổi thời điểm có xung kích cho SCR mở dẫn đến thay đổi điện áp
cấp cho động cơ M như thế sẽ thay đổi được tốc độ cấp cho động cơ.

16


Mạch điện 2
75W/220V
TP1

TP3
C1
224

D2

TP4

Diac 1

R2
100

R1
1k
SCR2
2P4M

VR1
250k
Diac 2

TP5

220VAC

C2
224

R3
100

D1

TP2

Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng Triac
Mạch điện 1

a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả.
b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích.
c. Đổi cực của nguồn Vi, lập lại câu a và b, giải thích kết quả

17

SCR1
2P4M


Mạch điện 2
L
P

R

220V

VR
Triac

C

Diac

N

* Nguyên lý làm việc
+ Giả sử ở nửa chu kỳ đầu A dương hơn B diode phân cực thuận kích cho triac
dẫn xuất hiện dịng điện cấp cho quạt (theo mạch đi từ A→T1→T2 → quạt
→B).
Đồng thời tụ C được nạp ( theo mạch A → R1 và R2 → R3 → C→ quạt → B).
+ ở nửa chu kỳ sau B dương hơn A diode phân cực nghịch nên khơng có
dịng điện tới cực G nhưng lúc này nhờ tụ C phóng điện cấp cho cực G (theo
mạch đi từ C→ Diode → G → T2 → C). Khi cực G có điện kích cho triac mở
cấp điện cho quạt ( theo mạch đi từ B → quạt → Triac → A)
+ Quạt quay nhanh hay chậm tuỳ theo người sử dụng vặn triết áp R1 để làm thay
đổi thời gian nạp cho tụ C lúc đó sẽ thay đổi được góc kích mở của Triac
Bài tập 2

18


Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này
SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện,
nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn

Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế
cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dịng nạp bảo vệ accu. VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)

19


Bài 2: BỘ CHỈNH LƯU – NGHỊCH LƯU
1. Bộ chỉnh lưu
1.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển

1.1.1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
Mạch van chỉ có một van duy nhất là điơt D (hình 2.3). Ở nửa chu kỳ đầu
(0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điơt D
dẫn. Vì với UD = 0 nên có ud  u2. Ở nửa chu kỳ sau (  2) điện áp u2 đảo
dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ)nên điơt D khố, vì thế ud = 0.
u2

D

i2



2



id
u1

ud

u2

ud

Rd



a)
b)

Hình 2.3a
u d  2 .U 2 .Sin

2.U 2
.Sin  :
R

i

Trong khoảng     2 , :
i=0, ud=0
giá trị điện áp lớn nhất U max  2 .U 2 .


Ud 

1
. 2.U 2 .Sin .d 
2 0

2 .U 2
 0,45U 2



U
1

U tb =
U max sin t.dt  max

2 0


Dòng điện trung bình qua tải:
Id 

U2
2.U 2

r
 .R

- Khi tải R+L
Cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm : e L   L

di
dt

Theo đinh luât Ôm :
20

(0.1)


u2 + eL = R.i
(0.2)
Hoặc:

L

di
 Ri  ud  2U 2 sin  t  2U 2 sin 
dt

(0.3)
Đặt : X   L  Z sin 

 R  Z .cos  ; Z 

R2  X 2

u2


id

D

L

u2



0
ud

ud

2

id
ud

R

id
2
0



1


Hình 1.2. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L

Giải phương trình vi phân ta có:
id 

R
 

X
sin





sin

.
e




R2  X 2 


2U 2

(0.4)

 Khi  = , dịng i = 0 , Diode D bị khố lại:
Từ đó có quan hệ:

sin        sin  .e


tg

(0.5)

 - Gọi là góc tắt dịng

 Khi cho biết  có thể xác định gần đúng 

Từ hình vẽ ta thấy 0 <  < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ
tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm L tích luỹ năng lượng.
Trong khoảng 1 <  < 2 dòng i suy giảm, sđđ tự cảm eL tác động cùng
chiều với u2 , cuộn cảm L hồn năng lượng. Vì vậy Diode D tiếp tục mở cho
dòng chảy qua trong khoảng  <  < 2 khi mà u2 < 0 .
di
Tại điểm 1 L  0 dịng i có giá trị cực đại : ia = Im
dt
L
2

Năng lượng tích luỹ bằng năng lượng hồn lại lưới :   I m2

21


Trong thực tế với mạch tải R + L người ta thường dùng một Diode hoàn
năng lượng đấu song song ngược với tải, để bảo vệ Diode và duy trì dòng tải
trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn.
Khi điện thế tại B lớn hơn điểm C 0,7V, Diode Dr mở cho dòng id qua, id
= i. Diode Dr làm ngắn mạch tải ud = 0.
u

i
ud

id


0

Hình 1.3. Đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L

Diode chỉ cho dòng qua trong khoảng 0 <  < , trong khoảng  <  < 2
dòng tải id do cuộn dây cung cấp, nếu eL đủ lớn thì có thể duy trì dịng id trong
tồn kỳ.
Kết luận:
 Dịng điện tải chậm pha sau u2 một góc  với tg 

L
X
; tg 
R
R

 Khi có DR điện áp chỉnh lưu Ud mất đoạn mang giá trị âm.
 Trong một chu kỳ cuộn L tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì nó hồn bấy
nhiêu năng lượng.
a

C

D

+
L

u2

ud

Dr
D1

R

eL

_
R

b
u d id

Dr

id

B
ud
id


2



0

Hình 1.4. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R,L khi có Dr

Tải là R + E
Diode chỉ cho dòng chảy qua khi u2 > E dòng i chỉ tồn tại trong khoảng

1   2
u2 

2U 2 sin   E với 1 ,  2 là nghiệm của phương trình
22


Dòng tải sẽ là:
2U 2 sin   E
R

id 
ud

ud

E

D


+

E

0



ud

u2



2

2

1

2 u2+E
R

id

0

Hình 1.5. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, E

Khi Diode D cho dòng đi qua thì có thể coi như uD = 0; Khi Diode bị khóa
lại ta có phương trình:
u2 = E + uD ;(Rid = 0) vì vậy điện áp ngược đặt lên Diode là uD = u2 - E
Và điện áp ngược trên Diode : UDmax = 2U 2  E
 Giá trị trung bình của dịng chảy qua Diode và qua tải :


1 2 2U2 sin  E
2U2
2U2  cos1 

Id 
d 
 sin1  (0.6)
 2cos1   sin1  


2 1
R
2 R
R  
T


Với:
   2  1    21
2

T
2U d  cos 1 

Id 
 sin 1 

R  
T



(0.7)
 Để xác định góc 1 ta áp dụng cơng thức : 2U 2 sin 1  E;1  arcsin

E
2U 2

 Dòng điện hiệu dụng qua Diode và tải :
2U2  E 
I  I2 

R

.

2T

Bài tập ví du 1: Cho sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ như hình vẽ1 dịng điện tải,
id, cũng là dịng chảy trong Diode, iD, có dạng trình bày như hình 1b. Khi Diode dẫn
dịng, điện áp rơi trong bản thân nó được mơ tả bằng biểu thức:
23


uD =0,85 + 0,9.10-3. iD
Hãy tính trị trung bình của công suất tổn thất, P D , trong Diode khi trị trung bình
của dịng tải là Id =200A.

uD

iD

id, iD

IDm

id
u
~

Id

0
a)

b)

Hình 1

t



Bài tập ví dụ 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode 1 pha, nữa chu kỳ, trình bày trên hình
(2a). Trị hiệu dụng của điện áp nguồn bằng 240V, tần số f =50Hz. Mạch tải gồm điện
cảm L =0,1H nối tiếp với điện trở R=10  .
a. Xác định dạng sóng dịng điện tải id.
b. Tính trị trung bình của điện áp tải Ud và của dòng điện tải Id.

1.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai

pha)
Tải là R
u' 2

u' ' 2


u' 2
u' ' 2

2



ud


a)

Hình 2.4
b)

Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha
nhau 1800 ở thứ cấp u 2' và u2'' .
Ở mạch van này các điôt D1, D 2 đấu theo kiểu catơt chung, vì vậy chúng
dsẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anơt của điơt D1 nối với u 2' , cịn anơt của
24


D2 nối với điện áp u2'' . Vì vậy trong khoảng từ (0), điôt D 1 dẫn do u2' > u 2'' ;

cịn trong khoảng (  2) thì D 2 dẫn do u 2'' > u 2' . Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ
có dạng ở hình 2.4b với: ud = u 2' ở 0
ud = u 2'' ở   2
Điện áp chỉnh lưu nhận được trờn ti l:
- Giá trị trung bình của điện áp chØnh l­u:


UD 

1
1
u 2 .d 

2 0






2 .U 2 .Sin .d

0

2. 2
.U 2


Utb =

2U max


(2.8)

- Giá trị trung bình của dòng tải:
I

U 2 2

.U 2
r
.r

- Giá trị trung bình của dòng chảy qua điôt:
Id

1
2




0

2.U 2
I
.Sin .d D
r
2

Để xét điện áp ngược trên van, ta giả sử D1 dẫn, D 2 khoá (giai đoạn 0 ).
Lúc này ta thấy D2 được đấu song song với hai cuộn thứ cấp nối tiếp nhau, vì
vậy:
Ungmax = 2 2 U 2

nên điện áp ngược cực đại trên điôt D 2 là

Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải cơng suất nhỏ đến vài
kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thâpt vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có
một vàn. Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha. Hơn nữa
một số thông số khác cũng không tốt.
Tải là R + L

u1

a
ua0
0
u b0
b

ia

D1

L

R

u

i
ud

id

id

c
0

D2



ib

Hình 2.8. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dịng điện, điện áp tải R, L

Cuộn cảm L tích luỹ năng lượng khi dịng id tăng và hồn năng lượng khi
dịng id giảm.
Ta có phương trình mạch điện là phương trình vi phân và giải phương trình
này để tìm Id
25