Ch ng 7. B O V THI T B BI N Đ Iươ Ả Ệ Ế Ị Ế Ổ
Các ph n t bán d n công su t đ c s d ng ngày càng nhi u do có nh ng u đi m nh g nầ ử ẫ ấ ượ ử ụ ề ữ ư ể ư ọ
nh , làm vi c tin c y, tác đ ng nhanh, hi u su t cao, d th c hi n t đ ng hoá vv...ẹ ệ ậ ộ ệ ấ ễ ự ệ ự ộ
Tuy nhiên, các ph n t bán d n công su t cũng đòi h i các đi u ki n kh t khe. Tr c h t làầ ử ẫ ấ ỏ ề ệ ắ ướ ế
ph i tôn tr ng nh ng tr s gi i h n s d ng do nhà s n xu t đã ch ra đ i v i t ng ph n t nh :ả ọ ữ ị ố ớ ạ ử ụ ả ấ ỉ ố ớ ừ ầ ử ư
- Đi n áp ng c l n nh t;ệ ượ ớ ấ
- Tr trung bình cho phép đ i v i dòng đi n;ị ố ớ ệ
- Nhi t đ l n nh t c a m t ghép;ệ ộ ớ ấ ủ ặ
- T c đ tăng tr ng l n nh t c a đi n áp ố ộ ưở ớ ấ ủ ệ
;
dt
du
- T c đ tăng tr ng l n nh t c a dòng đi n ố ộ ưở ớ ấ ủ ệ
;
dt
di
- Th i han khoá tờoff...
Các ph n t bán d n công su t c n đ c b o v ch ng nh ng s c b t ng x y ra, nh ngầ ử ẫ ấ ầ ượ ả ệ ố ữ ự ố ấ ờ ả ữ
"nhi u lo n" nguy hi m nh ng n m ch t i, quá đi n áp ho c quá dòng đi n.ễ ạ ể ư ắ ạ ả ệ ặ ệ
7.1. CÔNG SU T T N TH T VÀ LÀM MÁTẤ Ổ Ấ
Khi tiristor ho c diode m cho dòng ch y qua, công su t t n th t bên trong s đ t nóng chúng.ặ ở ả ấ ổ ấ ẽ ố
M t ghép là n i b đ t nóng nhi u nh t, ng i ta dùng ký hi u Tặ ơ ị ố ề ấ ườ ệ j đ ch nhi t đ m t ghép, Tể ỉ ệ ộ ặ jm đ chể ỉ
nhi t đ l n nh t cho phép.ệ ộ ớ ấ
Đ i v i bán d n Gố ớ ẫ e: Tjm = 800 ÷ 1000C
Đ i v i bán d n Si: Tố ớ ẫ jm = 1500 ÷ 2000C
Công su t t n th t trong thi t b bán d n ký hi u là ấ ổ ấ ế ị ẫ ệ ∆P, tính b ng oát (W), th ng đ c chiaằ ườ ượ
thành: t n th t chính (ổ ấ ∆P1) và t n th t ph (ổ ấ ụ ∆P2). T n th t chính do dòng đi n gây nên. T n th t phổ ấ ệ ổ ấ ụ
bao g m t n th t chuy n tr ng thái (t tr ng thái khoá chuy n sang tr ng thái m và ng c l i) vàồ ổ ấ ể ạ ừ ạ ể ạ ở ượ ạ
t n th t trong m t ghép.ổ ấ ặ
Th ng t n th t ph không v t quá 5% c a t n th t ườ ổ ấ ụ ượ ủ ổ ấ ∆P. Vì v y có th xem ậ ể ∆P ≈ ∆P1.
Hình 7.1
Đ tính ể∆P c n bi t đ c tính vôn - ampe c a thi t b bán d n. Trong tính toán, ng i ta dùngầ ế ặ ủ ế ị ẫ ườ
đ c tính V - A g n đúng (hình 7.1a):ặ ầ
uAC = U0 + i.Rd(7.1)
Trong đó Rd là đi n tr vi phân ho c đi n tr đ ng:ệ ở ặ ệ ở ộ
Rd = ctgα
Dòng đi n i ch y qua thi t b bán d n th ng là dòng đi n bi n thiên theo chu kỳ. Nh v y:ệ ả ế ị ẫ ườ ệ ế ư ậ
∫ ∫ +==∆
T T
AC idtiU
T
idtu
T
P
0 0
d0 ).R(
11
ho c: ặ
2
00 IRIUP d
+=∆
(7.2)
Trong đó I0 là dòng trung bình, I là dòng hi u d ng ch y trong thi t b bán d n.ệ ụ ả ế ị ẫ
Thi t b bán d n nh y c m v i nhi t đ . N u khi làm vi c, nhi t đ m t ghép v t quá Tế ị ẫ ạ ả ớ ệ ộ ế ệ ệ ộ ặ ượ jm, dù
trong th i gian r t ng n v n có th phá h ng thi t b bán d n. Vì v y vi c tính toán nhi t đ m t ghépờ ấ ắ ẫ ể ỏ ế ị ẫ ậ ệ ệ ộ ặ
là c n thi t.ầ ế
S đ đ ng tr nhi t đ c th hi n trên hình 7.2. Trong đó:ơ ồ ẳ ị ệ ượ ể ệ
Tj - nhi t đ m t ghép;ệ ộ ặ
Tv - nhi t đ v thi t b bán d n;ệ ộ ỏ ế ị ẫ
Tr - nhi t đ cánh t n nhi t;ệ ộ ả ệ
Ta - nhi t đ không khí c a môi tr ng làm vi c; ệ ộ ủ ườ ệ
Rjv - nhi t tr gi a m t ghép và v thi t b bán d n;ệ ở ữ ặ ỏ ế ị ẫ
Rvr - nhi t tr gi a v và cánh t n nhi t;ệ ở ữ ỏ ả ệ
Rra - nhi t tr gi a cánh t n nhi t và không khí môiệ ở ữ ả ệ
tr ng.ườ Hình 7.2.S đ đ ng tr nhi tơ ồ ẳ ị ệ
Nhi t đ c truy n t vùng nóng sang vùng l nh. Công su t nhi t đ c truy n đi t l thu nệ ượ ề ừ ạ ấ ệ ượ ề ỷ ệ ậ
v i nhi t sai và t l ngh ch v i nhi t tr Rớ ệ ỉ ệ ị ớ ệ ở th.
th
R
TT
P21 −
=∆
(7.3)
Trong đó, T1 là nhi t đ vùng nóng, Tệ ộ 2 là nhi t đ vùng l nh.ệ ộ ạ
Nhi t tr tính b ng ệ ở ằ 0C/W;
Rth = Rjv + Rvr + Rra
Bài toán v tính toán nhi t th ng đ a ra nh sau:ề ệ ườ ư ư
Cho bi t: Tếjm, Ta, Rth, ∆P. Yêu c u xác đ nh bi n pháp làm mát (làm mát b ng đ i l u t nhiênầ ị ệ ằ ố ư ự
hay ph i qu t mát v i t c đ bao nhiêu m/s).ả ạ ớ ố ộ
Ví d 1ụ
Tjm = 1150; Rjv = 0,240C/W; Rrv = 0,040C/W và Rra. Cho trên hình 7.1b; ∆P = 160W; Ta = 400C.
Theo (7.3), ta có:
W/468,0
160
40115 0C
P
TT
Raj
th =
−
=
∆
−
≤
Do đó:
Rra ≤ Rth - (Rjv + Rvr) = 0,468 - (0,24+0,04) = 0,1880C/W
Nh đ ng cong trên hình 7.1b, bi t đ c r ng ph i dùng qu t đ th i không khí v i t c đờ ườ ế ượ ằ ả ạ ể ổ ớ ố ộ
4m/s.
Ví d 2ụ
Tiristor có đ c tính V - A nh trình bày trên hình 7.3. Tính công su t t n th t trong tiristor.ặ ư ấ ổ ấ
a. Khi có dòng đi n m t chi u 23A ch y qua.ệ ộ ề ả
b. Khi tiristor làm vi c trong s đ ch nh l u m t pha, n a chu kỳ và dòng đi n xoay chi u i =ệ ơ ồ ỉ ư ộ ử ệ ề
18πsinωt ch y qua.ả
Bài gi iả
Đi n tr đ ng c a tiristor:ệ ở ộ ủ
W/0183,0
60
1,1 0CctgRd===
α
a.
∫
=+=+=∆
T
d
IdtIRU
T
P
0
0
W68,3223).23.0183,01()(
1
b.
∫=+=
πθθπθπ
π
0
W62,32.sin18).sin.18.0183,01(
2
1d
Hình 7.3
Ví d 3.ụ
Công su t t n th t trong tiristor là ấ ổ ấ ∆P = 30W
Nhi t tr gi a m t ghép và cánh t n nhi t là Rệ ở ữ ặ ả ệ jr = 0,70C/W
Nhi t đ môi tr ng Tệ ộ ườ a = 400C; nhi t đ c c đ i c a m t ghép Tệ ộ ự ạ ủ ặ jmax = 1250C.
Nhi t tr t ng c ng là:ệ ở ổ ộ
W/83,2
30
40125 0CRth =
−
=
Nhi t tr gi a cánh t n nhi t và môi tr ng là:ệ ở ữ ả ệ ườ
Rra = 2,83 - 0,7 = 2,130C/W
Nhi t đ c a cánh t n nhi t = 40 + 2,13.30 = 103,9ệ ộ ủ ả ệ 0C
Nh n xétậ
Nhi t đ không khí môi tr ng làm vi c là Tệ ộ ườ ệ a nh h ng r t l n đ n s làm vi c an toàn c aả ưở ấ ớ ế ự ệ ủ
thi t b bán d n. Trong bài toán đang xét, n u Tế ị ẫ ế a = 600C thì Rth ≤ 0.3440C/W, b y gi Rấ ờ ra = 0,0640C/W.
Theo đ ng cong trên hình 7.1b thì không th làm mát thi t b bán d n v i t c đ l n nh th . V yườ ể ế ị ẫ ớ ố ộ ớ ư ế ậ
ph i ch n thi t b bán d n có công su t l n h n và có cánh t n nhi t l n h n.ả ọ ế ị ẫ ấ ớ ơ ả ệ ớ ơ
Đ ng cong Rườ ra = f(∆P, Ta) do các nhà ch t o cánh t n nhi t cung c p (hình 7.1c).ế ạ ả ệ ấ
Thi t b bán d n không đ c làm mát thì kh năng ch u dòng ch còn ế ị ẫ ượ ả ị ỉ kho ng 30 đ n 50%ả ế dòng
đ nh m c.ị ứ
Ví d : tiristor TL - 200 có th có dòng 200A ch y qua n u đ c qu t mát v i t c đ 12m/s.ụ ể ả ế ượ ạ ớ ố ộ
N u dùng cánh t n nhi t thì nó ch làm vi c đ c v i dòng (80 ÷ 100)A, và n u cũng không có cánhế ả ệ ỉ ệ ượ ớ ế
t n nhi t thì ch còn (40 ÷ 50)A.ả ệ ỉ
Bi n pháp làm mát thông d ng nh t là qu t không khí bao xung quanh cánh t n nhi t. Đ i v iệ ụ ấ ạ ả ệ ố ớ
công su t l n h n, ng i ta cho n c tr c ti p ch y qua cánh t n nhi t, ho c ngâm c thi t b bánấ ớ ơ ườ ướ ự ế ả ả ệ ặ ả ế ị
d n vào d u bi n th .ẫ ầ ế ế
7.2. NG N M CH Đ U RA C A C U CH NH L U DIODEẮ Ạ Ở Ầ Ủ Ầ Ỉ Ư
S đ nghiên c u ng n m ch đ u ra c a c u ch nh l u diode đ c th hi n trên hình 7.4.ơ ồ ứ ắ ạ ầ ủ ầ ỉ ư ượ ể ệ
Xét tr ng h p s c x y ra khi Dườ ợ ự ố ả 6 đang d n dòng, Dẫ1 và D5 trùng d n, ta có:ẫ
θ
sin2 2
Uea=
)3/2sin(2 2
πθ
−= Ueb
)3/4sin(2 2
πθ
−= Uec
i1 + i5 = i6(7.4)
i1(0) = 0; i5(0) = i6(0) = Id(7.5)
Hình 7.4
Hai pha a và b ng n m ch qua Dắ ạ 1 và D6. Hai pha a và c ng n m ch qua Dắ ạ 1 và D5.
Đ i v i các m ch k trên ta có các ph ng trình:ố ớ ạ ể ươ
dt
di
LiR
dt
di
LiRee ba
6
6
1
1.... +++=−
(7.6)
dt
di
LiR
dt
di
LiRee ae
1
1
5
5.... −−+=−
(7.7)
ea + eb + ec = 0 (7.8)
T (7.4), (7.6), (7.7) và (7.8), rút ra:ừ
a
eiR
dt
di
L=+ 1
1..
(7.9)
và
+−= −
ϕ
θ
ϕϕθ
tg
meIi .sin)sin(
1
(7.10)
Trong đó:
;
2
22
2
XR
U
Im+
=
;
R
X
t
X = ωL;
L = L2 + L'1; R = R2 + R'1
Thay (7.9) vào (7.7), ta đ c:ượ
)3/2sin(2.. 25
5
πθ
+==+ UeiR
dt
di
Lc
và
[ ]
ϕ
θ
ϕπϕπθ
tg
mdm eIIIi
−
−−+−+= .)3/2sin()3/2sin(
5
(7.11)
Thay (7.9) vào (7.6), ta đ c:ượ
)3/sin(2.. 26
6
πθ
+=−=+ UeiR
dt
di
Lb
và i6 = Imsin(θ+π/3-ϕ)+[Id - Imsin(π/3-ϕ)].e
ϕ
θ
tg
−
(7.12)
Dòng đi n các pha g m m t thành ph n bi n thiên chu kỳ và m t thành ph n suy gi m theoệ ồ ộ ầ ế ộ ầ ả
hàm mũ. Sau th i gian kho ng 3ờ ả τ (v i ớ
)
R
L
=
τ
, các thành ph n suy gi m xu ng g n b ng 0. B y giầ ả ố ầ ằ ấ ờ
dòng đi n ch y trong các pha s là dòng đi n xác l p, bi n thiên theo d ng hàm sin v i biên đ c cệ ả ẽ ệ ậ ế ạ ớ ộ ự
đ i b ng Iạ ằ m.
Các đ ng cong ườ
m
i
I
i
i=
1
*
ng v ic các trứ ớ ị
khác nhau c a tgủϕ đ c trình bày trên hình 7.5.ượ
Qua các đ ng cong này ta th y r ng: tr c c đ iườ ấ ằ ị ự ạ
c a dòng đi n phá ho i m i pha khi c u ch nhủ ệ ạ ở ỗ ầ ỉ
l u b ng n m ch ngoài không v t quá 2Iư ị ắ ạ ượ m khi
tgϕ = ∞.
Đ gi m nh dòng đi n ng n m ch,ể ả ỏ ệ ắ ạ
ng i ta th ng đ u thêm đi n kháng vào m chườ ườ ấ ệ ạ
đi n xoay chi u.ệ ề
Hình 7.5
7.3. NG N M CH Đ U RA C A C U CH NH L U TIRISTORẮ Ạ Ở Ầ Ủ Ầ Ỉ Ư
S đ nghiên c u ng n m ch đ u ra c a c u ch nh l u tiristor đ c trình bày trên hình 7.6.ơ ồ ứ ắ ạ ầ ủ ầ ỉ ư ượ
Xét tr ng h p ng n m ch ngoài x y ra khi ườ ợ ắ ạ ả θ = O2, T6 đang cho dòng Id ch y qua và Tả1 b t đ uắ ầ
đ n d n. B y gi pha a và pha b b ng n m ch.ơ ẫ ấ ờ ị ắ ạ
N u chuy n g c to đ sang Oế ể ố ạ ộ 2 ta có:
)6/sin(2 2
µαπθ
+++= Uea
)2/sin(2 2
µαπθ
++−= Ueb
Hình 7.6.Ng n m ch đ u ra c a c u ch nh l u tiristorắ ạ ầ ủ ầ ỉ ư
Khi x y ra s c (ả ự ố θ = O2), có th vi t ph ng trình:ể ế ươ
)2/sin(6.2.2 2
µαπθ
+++=−=+ UeeiR
dt
di
Lba
Vi t ph ng trình trên d i d ng toán t Laplace:ế ươ ướ ạ ử
bp
i
pbp
p
L
U
pI +
+
++
+
=)0(
))((
)cossin.(
.
2
6
)( 22
2
ω
ψωψ
Trong đó: ψ = π/3 + α + µ;
L
R
b=
;
d
Ii =)0(
V n d ng quan h hàm nh - hàm g c, có th nh n đ c bi u th c c a dòng ng n m ch haiậ ụ ệ ả ố ể ậ ượ ể ứ ủ ắ ạ
pha nh sau:ư
ϕ
θ
ϕ
θ
ϕµαπϕµαπθ
tg
d
tg
meIeIi
−− +
−++−−+++= .).3/sin()3/sin(.
2
3
(7.13)