GIÁO TRÌNH - cdtb.edu.vn

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ

GIÁO TRÌNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

NGHỀ : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số 77/QĐ-CĐTB-ĐT ngày 19 tháng 01 năm 2021 của

Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

Năm 2021

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu

lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

2

LỜI GIỚI THIỆU

Cùng với yêu cầu phát triển về qui mô và chất lƣợng đào tạo nghề của Trƣờng thì

yêu cầu về biên soạn giáo trình, tài liệu phục vụ giảng dạy và học tập trong trƣờng

là yêu cầu cần thiết và mang tính thiết thực. Việc biên soạn giáo trình điện tử công

suất để phục vụ giảng dạy cho các nghề điện CN, Điện Tử CN,... là một sự cố gắng

lớn của nhà trƣờng và bản thân các giáo viên nhằm từng bƣớc thống nhất và hoàn

thiện các nội dung giảng dạy của mô đun.

Nội dung của giáo trình đƣợc xây dựng dựa theo chƣơng trình khung do hiệu

trƣởng ban hành. Trên cơ sở tiếp cận và kế thừa những kiến thức đã đƣợc biên

soạn từ các giáo trình của các tác giả khác ở trong và ngoài nƣớc và với những nội

dung kiến thức và kinh nghiệm giảng dạy trên lớp, giáo trình này thể hiện các kiến

thức cơ bản và những ứng dụng cụ thể giúp ngƣời học có thể hiểu đƣợc các nguyên

lí cơ bản của các mạch và có thể thực hiện việc lắp ráp, vận hành đƣợc các mạch

điện đó.

Giáo trình đƣợc xây dựng và biên soạn bỡi các giáo viên giảng dạy điện tử trong

khoa Điện- điện tử . Với quan điểm biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, chủ yếu đề cập

những nội dung cơ bản, cốt yếu và từ đó có thể mở rộng hơn cho những nội dung

phức tạp.

Tuy đã có sự cố gắng của các thầy giáo trong nhóm biên soạn nhƣng không thể

tránh khỏi những tồn tại, khuyết điểm. Chúng tôi rất mong đƣợc sự góp của

khoa, trƣờng và bạn đọc để khi tái bản lần sau thì giáo trình này sẽ có chất lƣợng

tốt hơn.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ động viên về tinh thần và vật chất của

trƣờng, khoa đã giúp chúng tôi hoàn thành giáo trình này.

Tham gia biên soạn:

1. Ks Lê Kim Ngọc (Chủ biên)

2. Ths Nguyễn Văn Loi

3

MỤC LỤC

TT Nội dung Trang

Bài 1 Các khái niệm cơ bản 4

1 Giá trị trung bình của một đại lƣợng. 4

2 Công suất trung bình. 4

3 Giá trị hiệu dụng. 5

4 Hệ số công suất. 5

Bài 2 Các linh kiện điện tử công suất 8

1 Phân loại. 8

2 Diode chỉnh lƣu công suất. 9

3 BJT công suất. 12

4 MOSFET công suất. 15

5 IGBT 18

6 SCR 20

7 DIAC 22

8 TRIAC 25

Bài 3 Bộ chỉnh lƣu 28

1 Bộ chỉnh lƣu một pha 28

2 Bộ chỉnh lƣu ba pha 33

Bài 4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 38

1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha 38

2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

4

BÀI 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mục tiêu :

Sau khi học xong bài này người học có khả năng :

- Trình bày đƣợc nghĩa các đại lƣợng cơ bản trong điện tử công suất.

- Phân biệt đƣợc các đại lƣợng cơ bản trong điện tử công suất.

- R n luyện tính chính xác, nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc.

Nội dung:

1. Giá trị trung bình của 1 đại lƣợng:

Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Trị trung

bình của đại lƣợng i, viết tắt là IAV đƣợc xác định theo hệ thức:

1 o

o

t +T

t

AVi(t).dtI

T

Với: to – là thời điểm đầu của chu kỳ đƣợc lấy tích phân.

Ta thƣờng hay gặp các đại lƣợng trị trung bình đƣợc biểu diễn với chỉ số Id

(Direct…một chiều) hoặc Itb ( Average… giá trị trung bình), ví dụ dòng điện trung

bình Itb (Id), điện áp trung bình Utb (Ud).

2. Công suất trung bình :

Công suất tức thời của một tải tiêu thụ đƣợc xác định bằng tích điện áp và

dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).i(t)

Công suất trung bình đƣợc xác định bằng cách áp dụng tính trung bình vào

đại lƣợng công suất tức thời p(t), tức là :

0 0

1 1. . .

T T

dP p t dt u t i t dtT T

hoặc theo X = t;

0 0

1 1. . . ; .

X X

dP p X dX u X i X dX X TX X

Trƣờng hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian I = const = Id, công suất

trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình:

Pd = Ud.I = Ud.Id

Trƣờng hợp điện áp đặt trên tải không đổi theo thời gian u = const = Ud, công

suất trung bình của tải bằng tích điện áp và dòng điện trung bình.

Pd = U.Id = Ud. Id

5

Các trƣờng hợp đặt biệt :

Tải R : 2

0 0

1 1. . . .

T T

d R R RP u t i t dt R i t dt

T T

2 2

0

1. .

T

d R RP R i t dt R IT

Tụ điện và cuộn kháng là các phần tử có khả năng dự trữ và không tiêu hao

công suất. Dễ dàng dẫn giải hệ thức cho các tải L và C nhƣ sau:

Tải L : Pd = 0

Tải C : Pd = 0

3. Giá trị hiệu dụng:

Giả thiết đại lƣợng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu

kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc Xp = .Tp. Trị hiệu dụng của đại lƣợng i đƣợc tính

theo công thức:

2 21 1.

o o

o o

t T X X

t X

I i dt i dXT X

4. Hệ số công suất:

4.1. Định Nghĩa:

Hệ số công suất cos - PF (Power Factor) đối với một tải đƣợc định nghĩa

bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải

đó: cosP

S .

Trong trƣờng hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các

phần tử R, L, C không đổi và sức điện động dạng sin, dòng điện qua tải sẽ có dạng

sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn bằng . Ta có hệ thức tính

hệ số công suất nhƣ sau :

. . cos ; . . ;cosP

P mU I S mU IS

Trong đó: U, I – là các trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải;

m – là tổng số pha.

Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn

điện áp cung cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin.

Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành

các thành phần sóng hài cơ bản I1 cùng tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao

6

I2 ,I3 , … dễ dàng thấy rằng, sóng điện áp nguồn và sóng hài cơ bản của dòng điện

tạo nên công suất tiêu thụ của tải:

P = P1 = m.U.I1.cos1

1 - Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản.

Các sóng hài còn lại ( bậc cao) tạo nên công suất ảo.

Ta có:

22 2 2 2 2 2

1 2 3. . . . ...S mU I m U I I I

2 2 2 2 2 2 2

1

2

. . . . .j

j

S m U I m U I

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 1 112

. . cos . . sin . .j

j

m U I m U I m U I

2 2 2 2

1S P Q D

Với : P = m.U.I1.cos1 - Công suất tiêu thụ của tải

Q1 = m.U.I1.sin1 - Công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản

của dòng điện tạo nên).

2 2 2

2

. .j

j

D m U I

- Công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao

của dòng điện tạo nên).

Khái niệm biến dạng (deformative) xuất hiện từ nghĩa tác dụng gây ra biến dạng

điện áp nguồn của các thành phần dòng điện này, vì khi đi vào lƣới điện chúng tạo

nên sụt áp tổng không sin trên trở kháng trong của nguồn, từ đó sóng điện áp thực

tế cấp cho tải bị méo dạng.

Từ đó, ta rút ra hệ thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất

nhƣ sau:

2 2 2

1

cosP P

S P Q D

4.2. Biện pháp nâng cao hệ số công suất :

Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể :

Giảm Q1 – công suất ảo của dòng hài cơ bản, tức thực hiện bù công suất

phản kháng. Các biện pháp thực hiện nhƣ bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng

bộ kích từ dƣ hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn (SVC – Static Var

Compensator).

7

Giảm D – công suất ảo của sóng hài bậc cao. Tuỳ theo phạm vi hoạt động

của dải tần số của sóng hài bậc cao đƣợc bù, ta phân biệt các biện pháp sau đây:

- Lọc sóng hài: Áp dụng cho các sóng hài bậc cao lớn hơn sóng hài cơ bản đến giá

trị khoảng kHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hƣởng LC. Ví dụ nhƣ mạch lọc

LC cộng hƣởng bậc 5,7,11… mắc song song với nguồn cần lọc .

- Khử nhiễu: Áp dụng cho các sóng bậc cao có tần số khoảng kHz đến hàng

MHz. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển phát sóng với tần

số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất, các sóng hoạt động

trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện từ lan truyền vào môi trƣờng và

tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh, thậm chí gây nhiễu cho

chính bản thân mạch điều khiển các thiết bị công suất. Các thiết bị biến đổi công

suất thƣờng phải trang bị hệ thống khử nhiễu nghiêm ngặt. Một trong các biện

pháp sử dụng là dùng tụ điện, dùng dây dẫn bọc kim loại hoặc dùng lƣới chống

nhiễu cho thiết bị.

Ngoài ra, có thể biểu diễn hệ số công suất theo công thức sau:

1

1cos .cosI

I

8

BÀI 2

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mục tiêu:

- Trình bày đƣợc nguyên lý cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất

- Giải thích đƣợc nguyên l làm việc các loại linh kiện.

- Nhận dạng đƣợc các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bịđiện điện

tử.

- Lắp đƣợc mạch kích mở/khoá đơn giản.

- R n luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn,

tiết kiệm.

Nội dung:

1. Phân loại.

Các linh kiện bán dẫn công suất trong lĩnh vực điện tử công suất có hai chức

năng cơ bản: Đóng và ngắt dòng điện đi qua nó. Trạng thái linh kiện dẫn điện

(đóng) là trạng thái linh kiện có tác dụng nhƣ một điện trở rất bé (gần bằng 0). Độ

lớn dòng điện qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện lúc linh kiện đóng và

độ sụt áp trên linh kiện nhỏ không đáng kể (tối đa khoảng vài volt).

Trạng thái linh kiện không dẫn điện (ngắt dòng điện) là trạng thái linh kiện có

tác dụng trong mạch nhƣ một điện trở rất lớn. Dòng điện đi qua linh kiện có độ lớn

không đáng kể, độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động

của mạch điện bên ngoài.

Do đó, linh kiện bán dẫn hoạt động với hai chế độ làm việc đóng và ngắt

dòng điện, đƣợc xem là l tƣởng nếu ở trạng thái dẫn điện nó có độ sụt áp bằng 0

và ở trạng thái không dẫn điện, dòng đi qua nó bằng 0.

Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, ví dụ

từ trạng thái không dẫn điện (ngắt) sang trạng thái dẫn điện (đóng) và ngƣợc lại

thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cực điều khiển (ngõ vào) của các

linh kiện. Ta gọi linh kiện có tính điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể tồn tại

dƣới dạng dòng điện, điện áp, ánh sáng với công suất thƣờng nhỏ hơn rất nhiều so

với công suất của nguồn và tải.

Trên đây, ta chƣa đề cập đến tác dụng của điện áp và dòng điện của mạch

công suất lên quá trình chuyển đổi trạng thái làm việc của linh kiện. Tín hiệu điều

khiển lên mạch cực điều khiển chỉ có tác dụng khi trạng thái điện áp đặt vào hai

cực chính ở ngõ ra của linh kiện có chiều phân cực và độ lớn phù hợp.

9

Với những nhận xét ở trên, các linh kiện bán dẫn công suất, theo chức năng

đóng và ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này, có thể chia

làm ba nhóm chính:

1.1. Linh kiện không điều khiển.

Trong trƣờng hợp linh kiện không chứa cực điều khiển và quá trình chuyển

trạng thái làm việc của linh kiện xảy ra dƣới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ

ra, ta gọi linh kiện thuộc loại không điều khiển. Ví dụ: diode, DIAC là các linh

kiện không điều khiển.

1.2. Linh kiện chỉ điều khiển kích dẫn.

Nếu thông qua cực điều khiển, tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng

điện mà không thể tác động làm ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh kiện không có

khả năng kích ngắt. Ví dụ nhƣ SCR, TRIAC.

1.3. Linh kiện điều khiển kích dẫn/kích khóa.

Ngƣợc lại, các linh kiện có thể thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt địên

và ngƣợc lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển, đƣợc gọi là linh kiện có

khả năng kích ngắt (Self Commutated Device – tạm dịch: Linh kiện tự chuyển

mạch). Đại diện cho nhóm linh kiện này là transistor (BJT, MOSFET, IGBT),

GTO ( Gate – Turn – Off Thyristor), IGCT, MCT, MTO.

2. Diode chỉnh lƣu công suất:

2.1. Ký hiệu, phân loại, cấu tạo, nguyên lý làm việc.

K hiệu của điôt chỉnh lƣu :

DIODE

Nguyên lý làm việc của điôt chỉnh lưu.

Khi ghép hai loại bán dẫn P và N với nhau thì điện tử thừa của N chạy sang P và

các lỗ trống của bán dẫn P chạy sang N. Chúng gặp nhau ở vùng tiếp giáp, tái hợp

với nhau và trở nên trung hoà về điện.

Ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên chỉ còn lại những ion âm.

Vì vậy, ở vùng đó có điện tích âm. Ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn N, do mất

điện tử thừa, nên chỉ còn lại những ion dƣơng. Vì vậỵ ở vùng đó có điện tích

dƣơng, do đó, hình thành điện dung ở mặt tiếp giáp. Đến đây, sự khuếch tán qua lại

giữa P và N dừng lại. Vùng tiếp giáp đã trở thành một bức rào ngăn không cho lỗ

trống từ P chạy qua N và điện tử N chạy qua P. Riêng các hạt mang điện tích thiểu

10

số là các điện tử trong bán dẫn P và các lỗ trống trong bán dẫn N là có thể vƣợt qua

tiếp giáp, vì chúng không bị ảnh hƣởng của bức xạ hàng rào ngăn, mà chỉ phụ

thuộc nhiệt độ. Trong bán dẫn P, các điện tích đa số là các lỗ trống, còn trong bán

dẫn N là các điện tử thừa.

Bây giờ ta xét sự vân chuyển động của các phần tử mang điện khi phân cực cho

Điốt.

+ Phân cực thuận đƣợc trình bày

Phân cực thuận cho điốt chỉnh lưu

Do tác dụng của điện trƣờng E, các điện tử thừa trong N chạy ngƣợc chiều điện

trƣờng vƣợt qua tiếp giáp sang P, để tái hợp với các lỗ trống trong P chạy về phía

tiếp giáp. Điện tử tự do từ âm nguồn sẽ chạy về bán dẫn N để thay thế, tạo nên

dòng thuận có chiều ngƣợc lại. Dòng thuận tăng theo điện áp phân cực. Ngoài ra,

phải kể đến sự tham gia vào dòng thuận của các điện tử trong cặp điện tử - lỗ

trống. Khi nhiệt độ tăng lên thì thành phần này tăng, làm cho dòng thuận tăng lên.

+ Phân cực ngƣợc đƣợc trình bày

Phân cực ngược cho Điốt chỉnh lưu.

Do tác động của điện trƣờng E các điện tử thừa trong N và các lỗ trống trong P

đều di chuyển về hai đầu mà không vƣợt qua đƣợc tiếp giáp, nên không tạo nên

đƣợc dòng điện. Chỉ còn một số điện tích thiểu số là những lỗ trống trong vùng bán

dẫn N và các điện tử trong vùng bán dẫn P (của cặp điện tử - lỗ trống) mới có khả

11

năng vƣợt qua tiếp giáp. Chúng tái hợp với nhau. Do đó có một dòng điện tử rất

nhỏ từ cực âm nguồn chạy tới để thay thế các điện tử trong P chạy về phía N và tạo

nên dòng điện ngƣợc rất nhỏ theo chiều ngƣợc lại. Gọi là dòng ngƣợc vì nó chạy từ

bán dẫn âm (N) sang bán dẫn dƣơng (P). Dòng ngƣợc này phụ thuộc vào nhiệt độ

và hầu nhƣ không phụ thuộc điện áp phân cực. Đến khi điện áp phân cực ngƣợc

tăng quá lớn thì tiếp giáp bị đánh thủng và dòng ngƣợc tăng vọt lên.

2.2. Tính chọn linh kiện.

Có hai thông số kỹ thuật chính cần quan tâm khi chọn linh kiện là:

Dòng điện thuận qua điốt không đƣợc lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà

sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).

Điện áp phân cực ngƣợc (tức UKA) không đƣợc lớn hơn VBR (ngƣỡng đánh

thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp).

2.3. Bảo vệ linh kiện.

Để hạn chế ảnh hƣởng của hiện tƣợng quá áp và bảo vệ cho diode công suất ngƣời

ta mắc song song với diode mạch lọc RC. Để hạn chế quá dòng điện ngƣời ta mắc

nối tiếp cuộn cảm L với diode.

Lƣu ý:

- Thông thƣờng trong các diode công suất đã có chứa mạch RC tích hợp.

- Điện áp định mức là điện áp nghịch lớn nhất có thể lặp lại tuần hoàn trên diode. -

Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode.

- Để tăng khả năng chịu dòng tải ta ghép song song các diode.

2.4. Xử lý làm mát.

2.4.1. Làm mát chỉ bằng vỏ van bán dẫn.

Nếu công suất tản nhiệt khi van hoạt động dƣới 20W, đồng thời dòng điện làm việc

tối đa nhỏ hơn 10%Idm thì không cần có các biện pháp tản nhiệt tích cực. Lúc này

chỉ cần để van ở vị trí thông thoáng.

2.4.2. Làm mát bằng cách gắn lên van bán dẫn cánh tản nhiệt.

12

Phƣơng pháp này phù hợp trong trƣờng hợp công suất cần tản nhiệt dƣới 100W và

van làm việc với dòng nhỏ hơn 40% định mức.

2.4.3. Làm mát bằng cách gắn lên van bán dẫn cánh tản nhiệt kết hợp cưỡng

bức quạt.

- Thƣờng cứ 100W công suất tản nhiệt thì gắn 1 quạt.

- Van cho phép hoạt động với dòng tối đa 70% định mức.

2.4.4. Làm mát bằng cách gắn lên van bán dẫn cánh tản nhiệt kết hợp cưỡng

bức bằng nước.

- Nƣớc làm mát đƣợc luân chuyển liên tục.

- Van cho phép hoạt động đến 90% định mức.

3. BJT công suất:


Nếu trên một đế bán dẫn ta tạo ra hai mặt ghép n-p liên tiếp nhau thì ta có một

tranzisto lƣỡng cực (bipolar) hay đơn giản quen gọi là tranzisto.

Tranzisto có khả năng khuếch đại tín hiệu, tranzisto đóng vai trò rất quan trọng

trong các mạch điện tử nên ta cần nghiên cứu tỉ mỉ nguyên lý làm việc và các

thông số của nó.

Tranzisto có hai mặt ghép n-p cấu tạo từ ba lớp bán dẫn tạp khác tính nên nó có thể

là p-n-p hoặc n-p-n. Loại tranzisto p-n-p có cấu trúc và ký hiệu nhƣ ở hình a gọi là

tranzisto thuận, loại n-p-n hình b gọi là tranzisto ngƣợc.

p pn

E

B

Cn n

pE

B

C

E E

BB

CC

a) b)

a) b)

Cấu tạo và ký hiệu

a) Của tranzisto thuận ; b) Của tranzisto ngược

Hai loại tranzisto này có cấu tạo khác nhau nhƣng nguyên l làm việc tƣơng

tự nhau. Sự khác nhau ở đây là phân cực nguồn cho hai loại tranzisto này ngƣợc

tính nhau. Vì vậy chỉ cần xét nguyên lý làm việc của một loại là có thể suy ra loại

kia. Ví dụ ta xét cấu tạo và nguyên lý làm việc cuả tranzisto thuận p-n-p.

13

Cấu tạo của một tranzisto trình bày trên hình a. Miền bán dẫn p thứ nhất gọi là cực

phát E - cực Emitơ, đó là miền có nồng độ tạp chất lớn, tức là nồng độ lỗ trống lớn

để phát ra lỗ trống. Miền thứ hai là miền n gọi là miền cực gốc B hay cực bazơ.

Miền này vừa mỏng (cỡ vài m) lại vừa ngh o điện tử (nồng độ tạp chất nhỏ).

Miền thứ ba là miền cực góp hay cực colectơ hay cực C có nồng độ tạp chất trung

bình.

Cả ba miền cực đều có chân để nối ra ngoài để hàn vào mạch. Mặt ghép n-p giữa E

và B gọi là mặt ghép Emitơ, mặt ghép n-p giữa C và B gọi là mặt ghép colectơ.

Nhƣ vậy về mặt cấu trúc có thể coi tranzisto lƣỡng cực nhƣ hai điôt mắc nối tiếp

nhau qua điện trở khối rB của miền cực B. Tuy nhiên không thể dùng 2 điôt mắc

nối tiếp nhau để đƣợc 1 tranzisto vì trong tranzisto do cấu tạo nhƣ trên nên hai điôt

(hai mặt ghép) có tác dụng tƣơng hỗ với nhau qua miền bazơ. Hiệu ứng “tranzit”

chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai mặt ghép nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch

tán của hạt dẫn.

B C

b)

p pn

E

B

C

a)

D r DE CE

a)Cấu tạo, b)Các mặt ghép của tranzisto

Ngu ên l hoạt động

Trong ứng dụng thông thƣờng (khuếch đại), nối phát nền phải đƣợc phân cực thuận

trong lúc nối thu nền phải đƣợc phân cực nghịch.

Vì nối phát nền đƣợc phân cực thuận nên vùng hiếm hẹp lại. Nối thu nền đƣợc

phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra.

Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và khuếch tán sang vùng

nền. Nhƣ ta đã biết, vùng nền đƣợc pha tạp chất ít và rất hẹp nên số lỗ trống không

nhiều, do đó lƣợng trống khuếch tán sang vùng phát không đáng kể.

Mạch phân cực nhƣ sau:

Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên chỉ có một ít điện tử khuếch tán từ vùng phát

qua tái hợp với lỗ trống của vùng nền. Hầu hết các điện tử này khuếch tán thẳng

qua vùng thu và bị hút về cực dƣơng của nguồn VCC.

14

Các điện tử tự do của vùng phát nhƣ vậy tạo nên dòng điện cực phát IE chạy từ cực

phát E Các điện tử từ vùng thu chạy về cực dƣơng của nguồn VCC tạo ra dòng điện

thu IC chạy vào vùng thu. Mặt khác, một số ít điện tử là hạt điện thiểu số c a vùng

nền chạy về cực dƣơng của nguồn VEE tạo nên dòng điện IB rất nhỏ chạy vào cực

nền B.

Mạch phân cực cho Tranzitor

Nhƣ vậy, theo định luật Kirchoff, dòng điện IE là tổng của các dòng điện IC

và IB.

Ta có: IE = IC + IB

Dòng IB rất nhỏ (hàng micro ampe) nên ta có thể coi nhƣ: IE # IC.


Khi tính chọn linh kiện, ngƣời thiết kế dựa vào các thông số kỹ thuật chính sau:

- Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn của transistor, vƣợt qua dòng giới hạn

này Transistor sẽ bị hỏng.

- Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt vào cực CE , vƣợt qua

điện áp giới hạn này Transistor sẽ bị đánh thủng.

- Tần số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thƣờng, vƣợt quá tần

số này thì độ khuyếch đại của Transistor bị giảm.

- Hệ số khuếch đại : Là tỷ lệ biến đổi của dòng ICE lớn gấp bao nhiêu lần dòng IBE

- Công suất cực đại : Khi hoạt động Transistor tiêu tán một công xuất P = UCE.

ICE nếu công suất này vƣợt quá công suất cực đại của Transistor thì Transistor sẽ bị

hỏng.

15


- Bảo vệ quá áp: Quá áp gây hỏng transistor công suất thƣờng do xung điện áp

ngƣợc từ máy biến áp tạo ra. Mạch dƣới đây là một biện pháp thông dụng để bảo

vệ transistor công suất.

Mạch C3 – R3 trong mạch gọi là mạch triệt xung ngược.

- Bảo vệ quá dòng: Việc bảo vệ quá dòng thƣờng sử dụng biện pháp đơn giản là

dùng điện trở cầu chì mắc từ chân ngõ ra transistor xuống mass hoặc sử dụng cầu

chì tác động nhanh.


Phƣơng pháp xử lý làm mát transistor công suất tƣơng tự nhƣ đi ốt công suất.

4. MOSFET công suất.


Hình dạng ngoài thực tế:

http://hoiquandientu.com/images/stories/Dien-tu-can-ban/Mosfet/Mosfet1.jpg

http://hoiquandientu.com/images/stories/Dien-tu-can-ban/Mosfet/Mosfet1.jpg

16

Ký hiệu trong sơ đồ nguyên lý

Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tƣơng đƣơng với Transitor BJT :

+ Chân G tƣơng đƣơng với B

+ Chân D tƣơng đƣơng với chân C

+ Chân S tƣơng đƣơng với E

Khác với BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp

với dòng điện điều khiển cực nhỏ.

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

G : Gate gọi là cực cổng

S : Source gọi là cực nguồn

D : Drain gọi là cực máng

Trong đó : G là cực điều khiển đƣợc cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại

bởi lớp điện môi cực mỏng nhƣng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai

http://hoiquandientu.com/images/stories/Dien-tu-can-ban/Mosfet/CautaoMosfet2.gif

http://hoiquandientu.com/images/stories/Dien-tu-can-ban/Mosfet/CautaoMosfet2.gif

17

cực còn lại là cực nguồn (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang

điện.

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn ,

còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và

cực S (UGS).

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ

trƣờng làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

Nguyên lý hoạt động:

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện

cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhƣng mà để đảm bảo thời

gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng.

Mạch điện tƣơng đƣơng của Mosfet . Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ

thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.

+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dòng điện sẽ đi từ S đến

D.

+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển

đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất ngƣời ta thƣờng : Đối với Mosfet

Kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0.

* Mạch thí nghiệm :

Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đ n D vào hai cực D và S của Mosfet Q

(Phân cực thuận cho Mosfet ngƣợc) ta thấy bóng đ n không sáng nghĩa là không

có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không đƣợc cấp điện.

Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đ n

Q1 dẫn => bóng đ n D sáng.

18

Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên. Q1 khóa ==>Bóng đ n

tắt.

=> Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng

GS nhƣ trong Transistor thông thƣờng mà điện áp này chỉ tạo ra từ trƣờng => làm

cho điện trở RDS giảm xuống

Chú ý : Mạch thử nghiệm trên chỉ là mạch mô phỏng khả năng đóng cắt và hoạt

động của MosFet.


Thƣờng chọn Mosfet công suất theo các thông số sau:

- Điện áp tối đa cho phép giữa cực máng và cực nguồn: VDGS.

- Dòng điện tối đa qua cực máng: IDS.

- Điện áp mở cực cổng: VGS.


- Đối với mosfet công suất lớn, tiếp giáp DS thƣờng đã tích hợp đi ốt đệm để bảo

vệ chống điện áp ngƣợc.

- Tránh trƣờng hợp cực G rơi vào trạng thái không xác định làm hỏng mosfet, chân

G của mosfet phải đƣợc nối điện trở chốt nguồn hoặc chốt mass phù hợp.


- Ở trạng thái làm việc bình thƣờng, mosfet phát nhiệt thấp hơn nhiều so với

transistor lƣỡng cực, việc làm mát cho mosfet công suất chủ yếu dùng biện pháp

cánh tản nhiệt hoặc kết hợp cánh tản nhiệt và quạt gió.

- Do đặc tính hệ số nhiệt dƣơng nên việc ghép mosfet song song để chia dòng là

giải pháp đƣợc cho phép thực hiện.

5. IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor):


IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên

kích thƣớc gọn nhẹ nó có khả năng chịu đƣợc điện áp và dòng điện lớn cũng nhƣ

tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện .

IGBT có phần tử MOS vơí cực cách điện đƣợc tích hợp trong cấu trúc của

nó. Giống nhƣ thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển

đóng và ngắt IGBT đƣợc thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực

transistor NPN .

Việc kích dẫn IGBT đƣợc thực hiện bằng xung điện áp đƣa vào cực kích G.

Đặc tính V-A của IGBT có dạng tƣơng tƣ nhƣ đặt tính V- A của MOSFET.

19

Khi tác dụng lên cực G điện thế dƣơng so với Emitter để kích đóng IGBT,

các hạt mang điện loại N đƣợc kéo vào kênh P gần cực G làm giầu điện tích mạch

cổng P của transistor NPN và làm cho transistor này dẫn điện và làm cho IGBT

dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng cách ngắt điện thế cấp cho cực G

để ngắt kênh dẫn P. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản .

Ƣu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh làm cho nó đƣợc sử dụng

trong phổ biến trong các bộ biến đổi điều chế độ xung tần số rất cao. Mặt khác, với

cấu tạo của một transistor IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh

kiện thuộc dạng thyristor nhƣ GTO. Tuy nhiên, IGBT hiện chiếm vị trí rất quan

trọng trong công nghiệp với hoạt động trong phạm vi công suất đến 10MW hoặc

cao hơn nữa .

Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp

nó thay thế dần GTO trong một số ứng dụng trong công suất lớn. Điều này còn dẫn

đến các cải tiến hơn nữa công nghệ của GTO và tạo nên các dạng cải tiến của nó

nhƣ MTO, ETO và IGCT .

Giống nhƣ MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn

chế công suất tổn hao khi đóng và ngắt. Giống nhƣ BJT linh kiện IGBT có độ sụt

áp khi dẫn điện thấp từ (2 tới 3 V; 1000V định mức) nhƣng cao hơn so với GTO .

Khả năng chịu áp khoá chƣa cao nhƣ thấp hơn so với thyristor. IGBT có thể làm

việc với dòng điện lớn. Tƣơng tự GTO, transistor IGBT có khả năng chịu áp ngƣợc

cao.

So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt của IGBT rất nhanh,

khoảng một vài s và khả năng chịu tải đến 4,5kV - 2000A. Hiện nay, công nghệ

chế tạo của IGBT đang đƣợc đặc biệt phát triển để đạt đến mức điện áp vài ngàn

Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Ampe

G

C

E

G

N - MOSFET

C

E

20

IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trƣờng

hợp đặc biệt có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT .

Hiện nay trên thị trƣờng có module IGBT thông minh (intelligent power

module): Đƣợc chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao. Trên module chứa đựng phần

tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện. Các module này đạt độ

tin cậy rất cao .

Mạch kích IGBT đƣợc thiết kế tƣơng tự nhƣ mạch kích MOSFET. Do giá

thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn mạch kích lái IGBT đƣợc chế tạo

dƣới dạng IC công nghiệp. Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn

mạch, đƣợc chế tạo tích hợp dạng module riêng (1, 2, 4, 6 driver) hoặc tích hợp

trên cả module bán dẫn (hình thành dạng complex bao gồm mạch lái, IGBT và

mạch bảo vệ).


Thƣờng chọn IGBT theo các điều kiện kỹ thuật chính sau:

- Điện áp ngƣợc tối đa đặt lên tiếp giáp CE: VCE.

- Dòng điện cực đại cực C: IC.

- Điện áp mở cực cổng: VCE.


- Đối với IGBT công suất lớn, tiếp giáp DS thƣờng đã tích hợp đi ốt đệm để bảo vệ

chống điện áp ngƣợc.

- Tránh trƣờng hợp cực G rơi vào trạng thái không xác định làm hỏng IGBT, chân

G của mosfet phải đƣợc nối điện trở chốt nguồn hoặc chốt mass phù hợp.

- Hiện nay trên thị trƣờng xuất hiện nhiều các IGBT thông minh, khi đo các mạch

bảo vệ đã đƣợc tích hợp trên modun và có độ tin cậy rất cao.


Việc xử l làm mát IGBT tƣơng tự nhƣ mosfet công suất, riêng IGBT tích hợp

dạng modun phải xử l làm mát theo đúng hƣớng dẫn nhà sản xuất.

6. SCR –Silicon Controlled Rectifier.


SCR đƣợc cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PN ghép liên tiếp nhau tạo thành 3 diode

hoặc 2 BJT ghép phức hợp. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng loại PNPN

(SCR loại P).

Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi qua hai cực anode,

catode. Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp và dòng cực G (cực điều khiển).

21

Thông thƣờng ta đóng SCR bằng xung dòng qua mạch G, K. Điện trở thuận

rT và điện áp thuận uTO đƣợc định nghĩa tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp của diode. Khác

với diode, các nhánh thuận của SCR không bắt dầu từ góc 0 của hệ trục mà từ giá

trị IH (holding current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trị dòng tải giảm nhỏ

hơn IH thì SCR trở về trạng thái khoá.

Để đóng SCR thì khoảng đầu xung dòng kích phải có giá trị đủ lớn. Khi

SCR ở trạng thái phân cực nghịch việc kích vào cực G sẽ làm tăng dòng nghịch

một cách vô ích vì nó không dẫn. Các xung điều khiển thƣờng đƣợc truyền đến

SCR nhờ các biến áp xung. Nhiệm vụ của nó là cách ly mạch công suất khỏi nguồn

tạo xung kích.

Mạch kích SCR

Trong các bộ biến đổi công suất dùng SCR, SCR và mạch tạo xung kích vào

cực điều khiển của nó cần cách điện. Tƣơng tự nhƣ các mạch kích cho transistor, ta

có thể sử dụng biến áp xung, hoặc OPTO (xem hình 1.8).

Mạch kích dùng biến áp xung, đƣợc vẽ trên hình. Sau khi tác dụng xung áp

lên mạch B của transistor Q1, transistor Q1 dẫn bão hòa làm điện áp UCC xuất hiện

UCC

Dm

Q1

MBA xung

SCR

Mạch khuếch đại

xung kích

a)

Mạch tạo xung

dao động

UCC

MBA xung SCR

b)

Mạch khuếch đại

xung kích Q1

Dm

22

trên cuộn sơ cấp của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng xuất hiện ở phía

thứ cấp biến áp. Xung tác dụng lên cực G của SCR. Khi ngắt xung kích, transistor

Q1 bị ngắt, dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và

diode Dm.

Việc đƣa xung kích dài vào cực G làm tăng thêm tổn hao mạch điều khiển, do

đó có thể thay thế nó bằng chuỗi xung (xung chùm). Muốn vậy, xung điều khiển

kết hợp với tín hiệu ra của bộ điều khiển xung vuông qua mạch cổng logic AND

trƣớc khi đƣa vào cực B của transistor Q1.

Mạch bảo vệ SCR: Thông thƣờng, mạch RC mắc song song với SCR có thể

sử dụng để bảo vệ chống quá điện áp. Ngoài ra còn hạn chế khả năng tự kích của

SCR khi tăng nhanh du/dt.

Sở dĩ có hiện tƣợng tự kích là vì trong cấu trúc của SCR có một tụ ký sinh nối

liền giữa hai cực B của Q1 và Q2. Khi tăng du/dt thì dòng nạp cho tụ ký sinh

(iC = C.du/dt) rất lớn có thể đủ để kích Q1 và Q2 dẫn bão hòa.

Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ mắc nối tiếp với SCR chống sự

tăng nhanh dòng điện qua linh kiện (di/dt). Các giá trị RC có thể xác định từ điều

kiện giới hạn điện áp trên linh kiện hoặc để cho đơn giản có thể sử dụng bảng tra

cứu cung cấp bởi nhà sản xuất.


Thƣờng chọn SCR theo các thông số sau:

Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua SCR mà nó

có thể chịu đựng liên tục, có nghĩa là khi quá trị số này SCR sẽ bị hƣ. Trong

trƣờng hợp dòng lớn, SCR phải đƣợc giải nhiệt đầy đủ. Tùy thuộc vào loại SCR

mà giá trị này có giá trị từ 1A đến 1000A

Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngƣợc lớn nhất có thể đặt giữa A và

K mà SCR chƣa bị đánh thủng. Khi vƣợt qua con số cực đại thì SCR sẽ bị phá hủy.

Điện áp ngƣợc cực đại của thyristor thƣờng khoảng 100V – 1000V.

Dòng điện kích cực tiểu IGmin: Dòng điện này đóng vai trò kích cho cực

cổng G của SCR dẫn điện trong trƣờng hợp điện áp VAK thấp. Dòng IGmin có trị số

lớn hay nhỏ tùy thuộc vào công suất của SCR, nếu SCR có công suất càng lớn thì

IGmin phải càng lớn. Thông thƣờng thì IGmin từ 1mA đến vài chục mA.


- Để bảo vệ chống xung điện áp ngƣợc, ngƣời ta dùng mạch RC giống phƣơng

pháp bảo vệ BJT.

23

- Với SCR công suất rất lớn, cần mạch bảo vệ hạn chế tốc độ tăng trƣởng điện áp

và tăng trƣởng dòng điện.

6.4. Xử lý làm mát

Việc xử l làm mát SCR tƣơng tự đi ốt.

7. DIAC.

7.1. Ký hiệu, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động.

Diac (Diode AC) là một linh kiện bán dẫn có chức năng nhƣ một van điện xoay

chiều. Nó có đặc điểm là có thể cho dòng xoay chiều đi qua ở cả 2 bán kì (Bán kỳ

dƣơng và Bán kỳ âm) của điện xoay chiều AC khi điện áp đặt lên Diac vƣợt một

ngƣỡng nhất định. Diac đƣợc sử dụng nhiều trong các bộ điều áp (điều chỉnh điện

áp) 1 pha hoặc 3 pha. Ngày nay, Diac đƣợc sử dụng phổ biến nhất chính là Diac

DB3.

K hiệu trong mạch điện

Diac có k hiệu giống nhƣ 2 Diode đặt song song nhƣng ngƣợc chiều nhau. Hai

chân của Diac k hiệu là A1, A2 hoặc (MT1. MT2). Do sử dụng với điện xoay

chiều, vai trò của 2 chân này là nhƣ nhau. Vì vậy khi mắc vào trong mạch chúng ta

không cần quan tâm đến chiều và k hiệu các chân.

Ký hiệu Diac trong mạch điện

Cấu tạo Diac

DIAC có thể đƣợc chế tạo dƣới dạng cấu trúc ba lớp hoặc năm lớp bán dẫn.

http://bblink.com/7Euf5v

http://bblink.com/ysjgrpoe

https://dientu5ngay.com/diode-la-gi-hieu-ro-diode-di-ot-trong-5-phut/

24

Thƣờng thì Diac loại 3 lớp bán dẫn sẽ đƣợc sử dụng nhiều hơn trong thực tế. Ở

những Diac có cấu trúc 3 lớp bán dẫn thì chúng sẽ có điện áp ngƣỡng khoảng 30V.

So với loại Diac 3 lớp, Diac 5 lớp chỉ khác về đặc tuyến Vôn-Ampe, còn nguyên lý

hoạt động hoàn toàn tƣơng tự.

Nguyên lý hoạt động của Diac

Nhƣ đã đề cập ở phần khái niệm, Nguyên lý hoạt động của Diac hiểu một cách đơn

giản nhất nhƣ sau: Khi đặt một điện áp lớn hơn mức điện áp ngƣỡng của Diac

(thƣờng là 30V) thì Diac cho phép dòng xoay chiều chạy qua. Hay nói cách khác

Diac nhƣ một cái van nƣớc, dòng điện xoay chiều là cái ống chứa nƣớc. Khi áp

suất tác động lên cái van mà đủ lớn thì nó sẽ tự mở. Diac cũng vậy, khi điện áp đặt

lên nó lớn hơn 30V thì nó cho dòng điện xoay chiều đi qua.

Đặc tuyến Vôn- Ampe của Diac.

http://bblink.com/dac-tuyen

25

Trên đồ thị trục hoành biểu thị giá trị điện áp đặt lên Diac tăng dần theo chiều từ

trái sang phải. Trục tung biểu thị dòng điện mà Diac cho phép đi qua, chiều tăng

dần từ dƣới lên trên.

Nhìn vào đƣờng đặc tuyến, chúng ta có thể đƣa ra một số nhận xét nhƣ sau:

- Khi điện áp đặt lên Diac chƣa đạt tới mức điện áp ngƣỡng VBO thì dòng điện qua

Diac rất nhỏ, trƣờng hợp này Diac tắt.

- Khi điện áp đặt lên Diac lớn hơn VBO thì dòng qua Diac lúc này tăng lên, Diac ở

trạng thái dẫn. Đó chính là nguyên l hoạt động của Diac.

- Trong các thiết bị điện tử, Diac thƣờng dùng để tạo tín hiệu kích thích cho một bộ

phận nào đó làm việc (ví dụ nhƣ Triac, Transistor,..), chứ ít khi dùng Diac để chạy

trực tiếp với tải.


Việc chọn diac chủ yếu căn cứ vào giá trị điện áp đánh thủng VBO. Với các

diac thông dụng trên thị trƣờng hiện nay (dòng DB3), VBO dao động từ 28- 32V.

8. TRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)

8.1. Ký hiệu, phân loại, cấu tạo, nguyên lý hoạt động.

Triac đƣợc biết đến là một trong những loại linh kiện bán dẫn, gồm có 3

cực là G, MT1, MT2, chế độ làm việc giống nhƣ 2 Thyristor đƣợc mắc

song song và ngƣợc chiều nhau, có thể dẫn điện theo cả 2 chiều.

Cấu tạo và kí hiệu của Triac

Các phần tử đƣợc xếp lại với nhau thành 5 lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc

P-N-P-N và N-P-N-P.

26

Do một Triac có thể dẫn đƣợc cả 2 chiều với dạng sóng hình sin, nên

khái niệm về cực Anode và Cathode đƣợc sử dụng để có thể xác định

đƣợc cực nguồn chính. Trong hầu hết các mạch điện tử ứng chuyển

chuyển mạch AC thì Triac đều đƣợc kết hợp với một thiết bị đầu cuối.

Với đặc tuyến Volt – Ampe thì gồm có 2 phần đối xứng nhau qua phần

gốc tọa độ O, mỗi một phần đều tƣơng tự với đặc tuyến thuận của

Thyristor.

Triac thƣờng có 2 loại đó là: Loại tiêu chuẩn hay còn gọi là Triac 4Q và

một loại nữa là Triac 3Q.

Loại Triac tiêu chuẩn (4Q) có thể đƣợc sử dụng để kích hoạt trong 4 chế độ.

4Q thƣờng phải có các mạch và linh kiện bảo vệ bổ sung nhƣ mạch RC trên các

cực chính và một cuộn cảm để mắc nối tiếp trong thiết bị.

Triac 3Q có thể đƣợc kích hoạt ở các góc phần tƣ 1, 2 và 3, không yêu cầu

cần có mạch bảo vệ. Triac 3Q hiệu quả hơn 4Q trong các mạch ứng dụng có tải

không điện trở.

Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tùy , nhƣng thực tế việc kích thuận lợi

hơn khi dòng kích dƣơng cho trƣờng hợp dòng qua TRIAC là dƣơng và dòng kích

âm khi dòng qua TRIAC âm .


Có 3 thông số cần lƣu khi chọn triac là:

- Dòng điện tối đa cho phép qua triac: IT.

27

- Điện áp tối đa cho phép đặt lên triac: VDRM.

- Dòng điện kích cực G: IG.


Khi sử dụng triac điều khiển tải cảm, cần thiết phải sử dụng mạch RC để chống

xung điện áp ngƣợc cúng nhƣ giảm tốc độ tăng trƣởng điện áp và dòng điện tránh

triac tự kích. (xem bảo vệ SCR).


Triac hiện nay đƣợc chế tạo với nhiều thù hình khác nhau, việc xử lý làm mát

đối với triac ngoài việc đảm bảo các thông số kỹ thuật cần phái tính đến điều khiện

làm việc thực tế.

28

BÀI 3

BỘ CHỈNH LƢU

Mục tiêu của bài:

- Xác định nhiệm vụ và chức năng của từng khối của bộ chỉnh lƣu không điều

khiển và có điều khiển.

- Kiểm tra, sửa chữa đƣợc những hƣ hỏng trong mạch chỉnh lƣu AC - DC 1 pha

và 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật.

- Tính toán các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lƣu.

- Thiết kế đƣợc biến áp cung cấp mạch chỉnh lƣu.

- R n luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an

toàn, tiết kiệm.

Nội dung của bài:

1. Bộ chỉnh lƣu 1 pha.

1.1. Chỉnh lưu 1 pha, ½ chu kỳ.

1.1.1. Sơ đồ nguyên lý.

1.1.2. Nguyên lý làm việc.

Trong khoảng từ 0 < < , u2 dƣơng tại điểm a, diode dẫn cho dòng đi qua

- Nếu coi diode là l tƣởng (UD = 0) ta có:

22 sindu iR U

22sin

Ui

R , đồng pha với u2

Trong khoảng từ < < 2 , u2 âm tại a, diode phân cực nghịch không dẫn

i = 0, ud = 0

1.1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản.

Điện áp ngƣợc trên diode max 22DU U

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu :

Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R

ud

idạch

chỉnh

lưu

0

2

ud

id

u1 u2

id

ud

a

b

R

D

29

2 2 2

0

1 22 sin . 0.45

2dU U d U U

Giá trị trung bình của dòng tải: 22d

d

U UI

R R

Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp :

2

2 2 22

0

2 sin10,707

2 2

U U UI I d

R RR

Tính công suất máy biến áp

S = 3,09.Ud.Id = 3,09.Pd

Hệ số công suất của MBA : Cos = Pd/S

Máy biến áp sử dụng không hết công suất do chỉ làm việc ½ chu kỳ.

Dòng điện có độ gợn sóng cao.

1.1.4. Lắp ráp mạch.

1.2. Chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ hình tia.



Trong khoảng 0 < < , thì ua0 > 0, ub0 < 0, D1 dẫn, D2 ngắt .

Điện áp chỉnh lƣu trên tải là điện áp các pha lần lƣợt ở trị số cao nhất. Dạng điện

áp chỉnh lƣu là các đỉnh hình sin, tần số điện áp chỉnh lƣu bằng q lần điện áp lƣới

(q là số pha); dòng qua diode ½ chu kỳ và điện áp ngƣợc trên diode xác định theo

các công thức sau:

Trong khoảng 0 < < 2, ua0 < 0, ub0 > 0 , D2 dẫn, D1 ngắt và ta có điện áp trên D1

1 22 2 sinDu U


Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu:


ub0

2

u i

ib ia

ud

ua0

0 u1

ub0

ua0

b

a ia

ib

R

D2

D1

30

222 2

0

22 212 2 sin 0,9

2

md

UUU U d U

Giá trị trung bình của dòng tải:

.

2

22 2d dm

d

U IU

R RI

Giá trị trung bình của dòng chảy qua diode:

2

dD

II

Giá trị hiệu dụng dòng điện qua cuộn thứ cấp máy biến áp:

2

22 22 2

0 0

21 1sin sin

2 2 2ao bo m

U UI I I d I d

R R

Tính công suất biểu kiến máy biến áp:

2 2 2

21 1 1 1

1 2

2 1,74

1,23

1,482

d d

d d

ba

d

S U I U I

US U I I U I

K

S SS p

Tính hệ số công suất MBA (xem hiệu suất sơ đồ chỉnh lƣu bằng 1):

Ta có P1 = U1I1cos1 = Pd; P2 = U2I2cos2 = Pd


1.3. Chỉnh lưu một pha toàn kỳ hình cầu.


Mạch chỉnh lƣu cầu một pha có cấu tạo từ 4 diode. Sơ đồ có thể có máy biến áp

hoặc nối trực tiếp vào lƣới điện.


Điện áp trên tải Ud lặp lại dạng của u2 nhƣng đã đƣợc chỉnh lƣu để có dạng một

chiều đập mạch.



id

ud

0

2

id

ud

u1 u2

+

_

R Ud

31

Điện áp trung bình trên tải tính tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp trên :

222 2

0

22 212 2 sin 0,9

2

md

UUU U d U

Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện và áp nhƣ nhau vì vậy ta có :

Giá trị trung bình của dòng tải :

.2

2

22 2d m

d

U IU

R RI

Giá trị trung bình của dòng đi qua diode :

2

dD

II

Dòng i2 có dạng hình sin, do đó giá trị hiệu dụng của nó bằng :

22 1.11

2 2 2

md d

II I I

Tƣơng tự i1 cũng có dạng sin, vì vậy :

21 1.11 d

ba ba

III

K K

Công suất máy biến áp :

Vì dòng sơ cấp và thứ cấp đều có dạng sin nên: S1 = S2

S = U2 I2 1,23 Pd

Hệ số công suất MBA : CosMBA = Pd/S

Biểu thức trên cho ta thấy sơ đồ cầu sử dụng MBA tốt hơn sơ đồ tia vì công

suất tính toán của MBA chỉ lớn hơn công suất chỉnh lƣu yêu cầu Pd là 1,23 lần. So

sánh với sơ đồ tia thì điện áp trên diode trong sơ đồ cầu chỉ bằng một nửa nếu cùng

phải cho ra một điện áp chỉnh lƣu Ud.

Tuy nhiên trong sơ đồ này dòng điện phải đi qua hai diode liên tiếp, do đó

tổn hao về điện áp và công suất sẽ lớn hơn so với sơ đồ tia. Có thể kết luận rằng sơ

đồ cầu phù hợp với các trƣờng hợp tải có điện áp lớn và dòng nhỏ, còn sơ đồ tia

dùng cho các tải có dòng lớn và điện áp nhỏ hơn.


1.4. Chỉnh lưu 1 pha ½ chu kỳ có điều khiển.


32


Khi A ở bán kì dƣơng, tụ C nạp điện qua D- R1 –VR. Điện thế tại điểm 1 tăng dần

tức điện thế đặt lên cực G tăng dần, khi đạt đến điện thế mở VG thì tiếp giáp G-K

bị đánh thủng, lúc này tụ C xả điện tạo dòng IG kích SCR dẫn cấp nguồn cho tải.

Khi A ở bán kì âm, đi ốt D, SCR phân cực ngƣợc nên ngƣng dẫn, không có điện áp

cấp cho tải.

Điều chỉnh tăng trị số biến trở VR làm cho tụ C nạp chậm dẫn đến dòng IG kích

muộn tức SCR dẫn muộn làm cho điện áp ngõ ra giảm. Quá trình ngƣợc lại.


Giá trị trung bình của điện áp trên tải đƣợc xác định theo công thức:

2

2

0

12 sin

2dU U d

33

22 1 cos.

2

dd

U UI

R R

2 2 2

1 1 cos 1 cos2 sin 2 0,45

2 2 2dU U d U U

Khi tăng góc kích thì khoảng dẫn của SCR giảm và điện áp chỉnh lƣu

giảm. Khi góc kích = 0 thì SCR hoạt động nhƣ diode chỉnh lƣu không điều

khiển và đây đƣợc coi nhƣ một trƣờng hợp riêng của chỉnh lƣu có điều khiển (với

góc kích = 0).

Khi thì Ud và Uhd = 0 vì SCR không dẫn;

Khi 0 thì SCR làm việc nhƣ một diode chỉnh lƣu Ud = 0,45 2U ;

Giá trị trung bình của dòng điện trên tải xác định theo công thức:


2. Bộ chỉnh lƣu 3 pha.

2.1. Chỉnh lưu tia 3 pha hình tia.



Trong sơ đồ này ngƣời ta sử dụng nhóm catode chung vì vậy diode nào có điện thế

anod dƣơng nhất thì diode đó sẽ dẫn. Trên đồ thị các điểm M, N, L, P…. tại đó các

đƣờng điện áp pha cắt nhau, gọi là các điểm chuyển mạch tự nhiên. Tại các điểm

chuyển mạch tự nhiên một diode mới sẽ bắt đầu dẫn dòng, diode dẫn trƣớc đó sẽ

ngắt. Có thể thấy rõ điều này qua việc xét khoảng dẫn của các diode nhƣ sau:

Trong khoảng 12; ua dƣơng nhất, D1 dẫn, ud = ua

Trong khoảng 23; ub dƣơng nhất, D2 dẫn, ud = ub

0

2

u

/6 5/6

ud

ua ub uc

D1 D2 D3 0

1 2 3 4

Sơ đồ mạch và đồ thị dạng sóng điện áp tải R

uA

D3

D2

ua D1

R

uB

uC

Id ub

uc Ud

M N L P

34

Trong khoảng 34; uc dƣơng nhất, D3 dẫn, ud = uc

Điện áp chỉnh lƣu thu đƣợc là đƣờng bao phía trên các đƣờng điện áp pha, đập

mạch ba lần trong một chu kỳ.


Giá trị trung bình của điện áp, dòng điện chỉnh lƣu trên tải đƣợc tính:

2

1

5

6

2 2 2 2

6

3 3 3 2 32 sin . 2 sin . 1,17

2 2 2dU U d U d U U

Dòng điện trung bình trên tải.

21,17dd

U UI

R R

Dòng điện tức thời qua diode :

aa

ui

R , b

b

ui

R , c

c

ui

R

Dòng điện trung bình qua mỗi diode :

5

6

6

1

2 3

dD d

II I d

Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện lặp lại nhƣ sóng điện áp. Do đó ta

cũng có thể biểu diễn giá trị trung bình Id qua giá trị biên độ Idm tƣơng tự nhƣ công

thức tính điện áp:

3 3

2d dmI I

Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp MBA :

5

62

2

6

10,577

2 3

dd d

II I d I

Giá trị hiệu dụng dòng điện sơ cấp MBA có thể xác định từ các phƣơng trình cân

bằng sức từ động trong mạch từ. Tuy nhiên ngƣời ta tính đƣợc giá trị này bằng :

1 0,47 d

ba

II

K

Tính công suất của MBA :

35

1 1 1 2 1

2 2 2

1 2

3 3 3 .0,47 1,21,17

3 3 0,577 1,481,17

1,342

dba d d

dd d

d

US U I K U I I P

US U I I P

S SS P

Công suất tính toán của MBA phải bằng 1,34 công suất chỉnh lƣu yêu cầu Pd.

Hệ số công suất của MBA đƣợc tính nhƣ sau.

1 2

1 2

cos ;cosd dP P

S S

1 2cos coscos

2

dMBA

P

S

= 0,74


2.2. Chỉnh lưu tia 3 pha hình cầu.


Các diode đƣợc chia thành hai nhóm: Nhóm anode và nhóm catode.


Để phân tích sự làm việc của sơ đồ ta sử dụng qui tắc dẫn dòng của các diode

trong nhóm catode chung và nhóm anode chung.

+ Trong khoảng : 5

,6 6

Pha a có điện thế dƣơng nhất nên trong nhóm catode chung D1 sẽ dẫn, D3,

D5 sẽ ngắt. Tƣơng tự nhƣ vậy D3, D5 sẽ dẫn trong khoảng khi mà điện thế trên

anode của chúng dƣơng nhất.

+ Trong khoảng: 3 7

,6 6

uc

ub

ua

P

Q

A

B

C

+

_

L

+

E

+

E

R

D2 D6 D4

D5 D3

c

b

a

D1

R Ud

Id

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

36

Pha c có điện thế âm nhất nên trong nhóm anode chung D2 sẽ dẫn, D4, D6 sẽ

ngắt. Tƣơng tự nhƣ vậy D4, D6 sẽ dẫn trong khoảng khi mà điện thế trên catode của

chúng âm nhất. Lý luận tƣơng tự cho các khoảng tiếp theo và lập bảng chỉ dẫn thời

điểm các diode dẫn trong các khoảng còn lại.

Nhóm catode chung dẫn sẽ làm cho điện thế của điểm P trên đầu ra tải lặp

lại đƣờng bao phía trên của các đƣờng điện áp pha. Nhóm anode chung dẫn sẽ làm

cho điểm Q trên đầu ra tải có điện thế lặp lại đƣờng bao phía dƣới các đƣờng điện

áp pha.

Nếu đo điện áp tải giữa hai điểm P và Q giữa các khoảng liên tiếp, có thể

thấy rằng: Khi D1, D6 dẫn ta có điện áp tải ud = uab; khi D1, D2 dẫn ud = uac… Nhƣ

vậy điện áp chỉnh lƣu có dạng đập mạch 6 lần trong một chu kỳ, mỗi lần lặp lại

một phần của điện áp dây. Mỗi diode sẽ dẫn trong 1/3 chu kỳ.

Kết quả là điện áp trên tải là hiệu của điện áp do hai nhóm anode và catode tạo ra,

có 6 chỏm hình sin.


Điện áp ngƣợc lớn nhất trên diode :

Udnm = 2 26 2,45U U

Giá trị tức thời của điện áp chỉnh lƣu trong khoảng: 3

6 6

là

2 2 2

22 sin 2 sin 6 cos

3 3d a bu u u U U U

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lƣu trong 1 chu kỳ:

Đồ thị dạng sóng điện áp tải R

ud

0

D6

uab uac ubc uba uca ucb

0

D1

D1

D2

D2

D3 D3 D4 D5

D4 D5 D6

2

Diode

dẫn

/6 3/6

5/6

ua ub uc

uab

37

3

6

2 2 2

6

6 3 66 cos 2,34

2 3dU U d U U

Dòng trung bình qua tải: dd

UI

R Dòng trung bình qua diode:

3

dD

II


Khoảng Diode dẫn Chiều dòng điện Điện áp tải ud

3

6 6

1 và 6 Từ a qua tải về b ua- ub = uab

3 5

6 6

1 và 2 Từ a qua tải về c ua- uc = uac

5 7

6 6

3 và 2 Từ b qua tải về c ub- uc = ubc

7 9

6 6

3 và 4 Từ b qua tải về a ub- ua = uba

9 11

6 6

5 và 4 Từ c qua tải về a uc- ua = uca

11 13

6 6

5 và 6 Từ c qua tải về b uc - ub = ucb

38

BÀI 4

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Mục tiêu:

- Trình bày đƣợc nhiệm vụ và chức năng các phần tử trong bộ biến đổi

- Giải thích đƣợc nguyên l làm việc của sơ đồ.

- Lắp ráp, sửa chữa, sử dụng đúng chức năng mạch biến đổi điện áp xoay chiều 1

pha công suất nhỏ.

- R n luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tƣ duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo an toàn,

tiết kiệm.

Nội dung:

1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha.

1.1. Sơ đồ nguyên lý.

1.2. Nguyên lý làm việc.

Khi A ở bán kì dƣơng, tụ C đƣợc nạp điện qua R1 –VR. Điện thế tại điểm 1 tăng

dần đặt một điện áp tăng dần lên diac, khi đạt đến điện áp mở thì diac dẫn, tụ C xả

dòng qua diac tạo xung dƣơng kích triac dẫn cấp nguồn cho tải.

Khi A ở bán kì âm, tụ C đƣợc nạp điện qua R1 –VR. Điện thế tại điểm 1 giảm dần

đặt một điện áp âm tăng dần lên diac, khi đạt đến điện áp mở thì diac dẫn, tụ C xả

dòng qua diac tạo xung âm kích triac dẫn cấp nguồn cho tải.

Điều chỉnh tăng trị số biến trở VR làm cho tụ C nạp chậm dẫn đến diac mở trễ, lúc

này xung kích mở triac trễ làm cho triac dẫn muộn tức điện áp ngõ ra giảm. Quá

39

trình ngƣợc lại.

1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản.

Trị hiệu dụng của áp tải :

Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi ( 0, π), điện áp tải có trị hiệu dụng

biến thiên trong khoảng ( 0, U). Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều

khiển α .

Trị hiệu dụng dòng điện qua tải:

40

2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha.

2.1. Sơ đồ nguyên lý.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ có cấu tạo gồm ba công tắc bán

dẫn đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. Khi

công suất tải nhỏ, các cặp công tắc dùng thyristor có thể đƣợc thay thế bằng triac.

2.2. Nguyên lý làm việc.

Phân tích hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, ngay cả cho trƣờng

hợp tải thuần trở, rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trong

mạch rất khó khăn. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ

thuộc vào độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải (đối với tải không thuần

trở). Ngày nay, việc phân tích đƣợc thực hiện nhờ lập trình mô phỏng trên máy

tính.

Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình bộ biến đổi xoay chiều phụ

41

thuộc vào góc điều khiển và ứng với các tải R, RL.

Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ đƣợc vẽ trên

hình H3.10. Với tải R, phạm vi điều khiển góc kích nằm trong khoảng (0, 5 π 6 );

đối với tải L, phạm vi điều khiển của góc kích nằm trong giới hạn ( π 2 ,5 π 6 ).

Đối với tải RL, phạm vi điều khiển góc kích là (arctan ωL R , 5 π 6 ).

Xung kích: để đảm bảo quá t nh kích dẫn thyristor, xung kích đƣợc thực hiện dƣới

dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đến khi vƣợt khỏi nửa chu

kỳ tƣơng ứng một góc π 6 .

42

2.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản.

2.4. Khảo sát các khối chức năng.

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. ĐỀ CƢƠNG MÔĐUN/MÔN HỌC NGHỀ SỬA CHỮA THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

CÔNG NGHIỆP”, Dự án Giáo dục kỹ thuật và Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy

Nghề, Hà Nội, 2003

2. CHẤT BÁN DẪN ĐIÔT VÀ TRANZITO - GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỬ

KỸ THUẬT TƢƠNG TỰ, NXB Thống kê. Hà Nội, 2001

3. KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ, ELECTRONIC TECHNOLOGY, NXB Khoa học - Xã

hội, Hà Nội, 2001

4. Đỗ Thanh Hải, Nguyễn Xân Mai: PHÂN TÍCH MẠCH TRANZITO, NXB

Thống kê, Hà Nội, 2002.

5. Nguyễn Bính: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT, NXB KHKT 2002.

6. GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT, Dự án Giáo dục kỹ thuật và Dạy

nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003.

GIÁO TRÌNH - cdtb.edu.vn

Documents

Transcript of GIÁO TRÌNH - cdtb.edu.vn