Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chia sẻ: Hoatudang09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Điện tử công suất cung cấp cho người học những kiến thức như: Tổng quan về điện tử công suất; Mạch biến đổi AC/DC; Mạch biến đổi điện áp xoay chiều; Bộ biến đổi điện áp một chiều; Bộ nghịch lưu; Bộ biến tần;...Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình sau đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN VĂN SÁU (Chủ biên) ĐẶNG ĐÌNH NHIÊN – TRẦN VĂN NAM GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Nghề: Điện công nghiệp Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2018
LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên và tài liệu cho giáo viên khi giảng dạy, Khoa Điện Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội đã chỉnh sửa, biên soạn cuốn giáo trình “Điện tử công suất” dành riêng cho học sinh - sinh viên nghề Điện Công Nghiệp. Đây là mô đun kỹ thuật chuyên ngành trong chương trình đào tạo nghề Điện Công Nghiệp trình độ Cao đẳng. Nhóm biên soạn đã tham khảo các tài liệu: Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật 2008; Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nxb Khoa học kỹ thuật 2004; Lê Đăng Doanh, Nguyễn Thế công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất tập 1,2, Nxb Khoa học kỹ thuật 2007 và nhiều tài liệu khác. Mặc dù nhóm biên soạn đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh được những thiếu sót. Rất mong đồng nghiệp và độc giả góp ý kiến để giáo trình hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Chủ biên: Nguyễn Văn Sáu 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... 1 MỤC LỤC ......................................................................................................... 2 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN .............................................................................. 4 Bài 1 Tổng quan về điện tử công suất ......................................................... 7 1.1. Giới thiệu chung về điện tử công suất.................................................. 7 1.2. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất............ 8 Bài 2 Mạch biến đổi AC/DC ...................................................................... 40 2.1. Khái quát chung ................................................................................ 40 2.2. Mạch chỉnh lưu không điều khiển ...................................................... 40 2.3. Mạch chỉnh lưu có điều khiển ............................................................ 60 Bài 3 Mạch biến đổi điện áp xoay chiều .................................................... 83 3.1. Khái quát chung ................................................................................ 83 3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha ............................................ 84 Bài 4 Bộ biến đổi điện áp một chiều .......................................................... 93 4.1. Khái quát chung ................................................................................ 93 4.2. Mạch giảm áp – mắc nối tiếp ............................................................. 94 4.3. Mạch tăng áp – mắc song song .......................................................... 94 4.4. Bộ ổn áp ............................................................................................ 95 4.5. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều ............ 100 Bài 5 Bộ nghịch lưu .................................................................................. 104 5.1.Mạch điều khiển nghịch lưu dòng và nghịch lưu cộng hưởng một pha ....................................................................................................................... 104 5.2. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha ........................................ 105 5.3. Điều khiển nghịch lưu áp một pha ................................................... 106 5.4. Điều khiển nghịch lưu áp ba pha ..................................................... 107 Bài 6 Bộ biến tần ...................................................................................... 109 6.1. Khái niệm chung ............................................................................. 109 6.2. Bộ biến tần gián tiếp ........................................................................ 109 6.3 Biến tần trực tiếp .............................................................................. 113 2
6.4 Sự làm việc có dòng điện vòng ......................................................... 119 6.5 Điều khiển biến tần trực tiếp............................................................. 122 6.6 Bộ biến tần đường bao...................................................................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 126 3
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Điện tử công suất Mã mô đun: MĐ 20 Thời gian thực hiện: 60 giờ (Lý thuyết: 25 giờ;Thực hành, thí nghiệm, bài tập, thảo luận: 31 giờ; Kiểm tra: 4 giờ) I. Vị trí, tính chất mô đun - Vị trí: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các mô-đun/ môn học Vật liệu, Mạch điện, Điện tử cơ bản.. - Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề bắt buộc. II. Mục tiêu mô đun - Kiến thức: Hiểu và trình bày được đặc tính và cấu tạo của các linh kiện điện tử công suất. Phân tích và tính toán được các mạch điều khiển công suất như: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu. Giải được các bài toán cơ bản của mạch: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu. - Kỹ năng: Đo kiểm tra tình trạng hoạt động và xác định chân của các linh kiện công suất. Lắp ráp được các mạch chỉnh lưu và mạch ứng dụng kỹ thuật chỉnh lưu vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu. Lắp ráp được các mạch biến đổi điện AC và mạch ứng dụng kỹ thuật biến đổi điện AC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu. Lắp ráp được các mạch biến đổi điện DC và mạch ứng dụng kỹ thuật biến đổi điện DC vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu. Lắp ráp được các mạch nghịch lưu và mạch ứng dụng kỹ thuật nghịch lưu vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, tác phong công nghiệp trong lao động sản xuất. + Có tác phong công nghiệp, ý thức tổ chức kỷ luật, khả năng làm việc độc lập cũng như phối hợp làm việc nhóm trong quá trình sản xuất. 4
III. Nội dung mô đun Thời gian Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành, thí tra TT Tên các bài trong mô đun nghiệm, bài tập, thảo luận 1 Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất 1 1 2 Bài 2: Mạch biến đổi AC/DC 29 11 16 2 2.1. Khái quát chung 1 2.2. Mạch chỉnh lưu không điều khiển 6 12 2.2.1. Mạch chỉnh lưu 1 pha 2.2.2. Mạch chỉnh lưu 3 pha 2.3. Mạch chỉnh lưu có điều khiển 4 4 2.3.1. Các sơ đồ mạch điện 2 2.3.2. Kết quả chỉnh lưu 3 Bài 3: Mạch biến đổi điện áp xoay 8 4 4 chiều 2.1. Khái quát chung 1 2.1.1. Khái niệm 2.1.2. Ứng dụng 2.2. Mạch biến đổi điện áp XC 1 pha 2 2 2.2.1. Sơ đồ mạch điện 2.2.2. Nguyên lý làm việc 2.2.3. Khảo sát mạch 2.3. Mạch biến đổi điẹn áp XC 3 pha 1 2 2.3.1. Sơ đồ mạch điện 2.3.2. Nguyên lý làm việc 2.3.3. Khảo sát mạch 4 Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều 8 3 5 2.1. Khái quát chung 1 2.1.1. Khái niệm 2.1.2. Ứng dụng 2.2. Mạch giảm áp 1 3 5
2.2.1. Sơ đồ mạch điện 2.2.2. Nguyên lý làm việc 2.2.3. Lắp ráp, khảo sát mạch điện 2.3. Mạch tăng áp 1 2 2.3.1. Sơ đồ mạch điện 2.3.2. Nguyên lý làm việc 2.3.3. Lắp ráp và khảo sát mạch điện 5 Bài 5: Bộ nghịch lưu 8 4 4 2.1. Khái quát chung 1 2.1.1. Khái niệm 2.1.2. Ứng dụng 2.2. Mạch nghịch lưu 1 pha 1 3 2.2.1. Mạch nghịch lưu 1 pha điện áp 2.2.2. Mạch nghịch lưu 1 pha dòngđiện 2.3. Mạch nghịch lưu 3 pha 2.3.1 Sơ đồ mạch điện 2 1 2.3.2. Nguyên lý làm việc 6 Bài 6: Bộ biến tần 6 2 2 2 2.1. Khái quát chung 1 1 2.1.1. Khái niệm 2.1.2. Phân loại 2.1.3. Ứng dụng 2.2. Bộ biện tần 1 pha 1 0.5 0.5 1 2.2.1. Sơ đồ khối 2.2.2. Nguyên lý làm việc 2.2.3. Các thông số kỹ thuật 2.3. Bộ biến tần 3 pha 2 0.5 1.5 2.3.1. Sơ đồ khối 2.3.2. Nguyên lý làm việc 1 2.3.3. Các thông số kỹ thuậ Cộng: 60 25 31 4 6
Bài 1 Tổng quan về điện tử công suất Mục tiêu - Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất - Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất. - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập. 1.1. Giới thiệu chung về điện tử công suất Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công nghiệp, mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm soát từ nguồn đến tải. Công suất này có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt. Yêu cầu quan trọng trong điện tử công suất là hiệu suất và giá trị kinh tế do đó phải sử dụng kỹ thuật giao hoán nhằm giảm thiểu tổn thất trong quá trình chuyển đổi và điều khiển. Lĩnh vực áp dụng điện tử công suất được mô tả như hình vẽ Hình 1.1: Bốn kỹ thuật biến đổi cốt lõi nhất của điện tử công suất • AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu • DC biến đổi thành DC: biến đổi điện một chiều • DC biến đổi thành AC: nghịch lưu • AC biến đổi thành AC: biến đổi điện xoay chiều Trong công nghiệp, ngoài tải riêng phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau • Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất… • Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau • Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode,Transistor, Mosfet,SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… 7
1.2. Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất 1.2.1. Diode công suất a. Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn gọi là chất cách điện hay là chất điện môi. Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ). Nói cách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) Hình 1.2 Các nguyên tố bán dẫn Trong bảng tuần hoàn (Mendeleev) các nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2) giữa các kim loại và á kim. Điển hình là Ge, Si… Vì ở phân nhóm IV, lớp ngoài cùng của Ge, Si có 4 điện tử (electron) và chúng liên kết đồng hoá trị với nhau tạo thành một mạng bền vững (Hình 1.3a). Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết trong bán dẫn, những khuyết tật có thể của mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn của tinh thể bị biến đổ và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán dẫn cũng thay đổi. Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In, thì do lớp điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống (hole) dương. Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác để trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive). Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như As, thì do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp 8
điện tử đồng hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử. Điện tử này dễ dàng rời khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn loại N – Negative). Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn. Ge Ge Ge Ge Ge Ge - Ge In As - Ge Ge Ge Ge Ge Ge a, b, c, Hình 1.3: Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c) Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua như ZnS, CdS…. Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống. b.Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.4) thì tại chỗ hai mặt ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction). Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các điện tử âm tự do từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hoà về điện. Phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên trở thành mang điện âm. Phía bán dẫn N do mất điện tử nên trở thành mang điện dương. Do vậy, một điện trường E0 ở lớp tiếp xúc P-N được hình thành và hướng từ N sang P (Hình 1.4a). Điện trường nay như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N và điện tử từ N tiếp tục sang P. Nếu nối P-N với một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực thuận (Hình 4b) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với bán dẫn N thì có một điện trường ngoài (do nguồn ngoài tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0. Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo ra dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N. Nếu nối P-N để tạo ra phân cực ngược (Hình 1.4c) tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn N và cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì điện trường 9
ngoài sẽ hướng từ N sang P cùng chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở sự dịch chuyển của các lỗ trống từ P sang N và điện tử tự do từ N sang P nên dòng điện không tạo ra được. Trên thực tế, vẫn có một dòng điện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi là dòng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò. Eo Eo - + + P - + N P - + N P N - + - + - + - - + - + - + - Ith + - Ing + - + Ith J Rt E Rt E Ing = 0 + - - + A C A C I Rt I=0 Rt + - - + a, b, c, Hình 1.4: Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện chảy qua khi phân cực thuận và ngăn cản không cho dòng điện chảy qua khi phân cực ngược. Tính chất này có được là do điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P. Điện trường E0 tạo ra một bức rào thế. c. Diode công suất Diode là phần tử bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với bán dẫn P gọi là anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi là cathode (K). Hình 1.5: Cấu tạo của Diode công suất Đặc tính Von-Ampe của Diode biểu thị quan hệ I(U) giữa dòng điện qua Diode và điện áp đặt vào hai cực Diode Đặc tính Von-Ampe tĩnh của Diode có hai nhánh. Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận thì dòng điện đi qua Diode tăng theo điện áp. Khi điện áp đặt vào Diode vượt một ngưỡng Un cỡ 0,1V-0,5V và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng Parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2). 10
Điện trở thuận của Diode ở một điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và I U có thể tính theo: Rth = . Đó chính là nghịch đảo của giá trị đạo hàm dI/dU của đặc tính tại điểm tính điện trở. Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược. Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòng điện ngược (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngược |U| > 0,1V thì dòng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max thì dòng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì Diode bị đánh thủng. Hình 1.6: Đặc tính Von-Ampe của Diode Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là điện áp chọc thủng. Diode bị phá hỏng, để đảm bảo an toàn cho Diode, ta nên chọn Diode làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0,8 Ung.max. Với Ung < 0,8 Ung.max thì dòng điện rò qua Diode nhỏ không đáng kể và Diode coi như ở trạng thái khoá Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của Diode đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn. Từ đặc tính V.A của Diode, có thể thấy Diode (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc P-N) chỉ cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C khi phân áp thuận và không cho dòng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân áp ngược. Hình 1.7: Đặc tính V_A của Diode thực và Diode lý tưởng 11
Hình 1.8: Đặc tính Von-Ampe của Diode phụ thuộc nhiệt độ Đặc tính của Diode thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình 1.7). Đặc tính V.A của một Diode lý tưởng là nhữngđoạn thẳng (đường b hình 1.7) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, dòng điện thuận coi như ngắn mạch, còn khi phân áp ngược điện trở RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược. Đặc tính V.A của Diode còn thay đổi theo nhiệt độ (hình 1.8). Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. Diode là một van (valve) bán dẫn. Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành một chiều. Khi nối một Diode vào giữa một nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải Diode sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược. Sự chuyển đổi thông = khoá của Diode là không tức thời mà cần có một thời gian nhất định. toff – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá. ton – thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông (dẫn). Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì Diode bình thường có thể không tạo được chế độ khoá. d. Diode đệm Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình 1.9). Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ: - Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá. Dòng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 9a). Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 9b). Nếu không có Diode D0, điện 12
cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người. - Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải. I I + + R R Do U>0 U=0 L L a, b, Hình 1.9: Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự giảm về 0 đột ngột của dòng điện Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp. Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn. Diode D0 sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải. Dòng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn. Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian: ụ = L/R Nếu ụ >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như không đổi. 1.2.2.Transistor công suất a. Đặc điểm chung Transitor công suất có cấu tạo tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử dụng như 1 khoá đóng cắt điện tử. Tiếp giáp có diện tích hàng mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt cao và điện áp làm việc lớn. Nó còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Nghĩa là Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình dưới đây mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch. +Us R1 R2 Uout Uin t t Hình 1.10: Bộ khuếch đại chuyển mạch 13
Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn hay không dẫn. b. Đường đặc tính làm việc Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng cắt được ch như hình vẽ. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn. A Ub Ucb = 0 Ib A4 Uc +Ub A3 Rc 5,6 A2 R2 V1 Uout A1 Uin R1 Uce Ub V Uce Uce Uce Hình 1.11: Điểm làm việc của công tắc Transitor Hình 1.11 cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB = 0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn. Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2. ở đây dòng điện cực đại thu IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đầy dòng điện IC tăng rất ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức. ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là: UCErest c. Sự điều khiển quá mức của Transitor Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IB quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại. ở điều khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa. Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0, Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc như là một công tắc. Sự điều khiển quá mức có ưu điểm sau là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé. Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn UCB = 0. 14
u = IB/IB’, Thông thường tỉ số này được chọn từ 2-5. d.Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ chuyển mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực Collector. Hình 1.12 và 1.13 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công suất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch. Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.12 được xác định qua độ lớn của điện trở tải. ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn. ở điểm A2 thì Transitor dẫn. Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ. Như vậy trong khi đóng cũng như trong khi ngắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1, A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định. Trong thực tế không chỉ có các điện trở thuần mà có khi còn có điện dung hoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm làm việc. Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này, có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor. Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ. Ic +Us A2 Rload R1 V1 A1 Uin Us Uce Hình 1.12 Hình 1.13 e.Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô tả trên hình 1.14 và 1.15. Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh. 15
+Us Ic Rload Cload A2 R1 V1 Uin A1 Ib= 0A Us Uce Hình 1.14. Chuyển mạch công suất với tải tụ Hình 1.15 . Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện điện f. Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuyển mạch công suất với tải là cuộn dây và đường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.16 và 1.17. Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn. Không có dòng điện chạy qua Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng mạch có sẵn dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi UB và nó nhỏ dần. Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ. Điểm làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm việc A2. +Us Ic Rload A2 Lload Co Diode bao Khong co ve Diode bao ve R1 V1 Uin A1 Ib= 0A Us Uce Hình 1.16. Chuyển mạch công suất với tải Hình 1.17. Đường đặc tính làm việc với tải điện điện cảm cảm 16
Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này chạy qua Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường. Hình 1.18: Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công suất Trong khoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất hiện một sức điện động tự cảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình ngắt (thời gian quá trình ngắt). Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1.Qua hiện tượng tự cảm, trong quá trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực C của Transitor một điện áp quá cao, cao hơn cả điện áp UB. Điều này có thể dẫn tới tình trạng làm hỏng Transitor, do đó các mạch có tải là các cuộn dây thường cần có biện pháp bảo vệ. Một trong những biện pháp bảo vệ là người ta thực hiện theo sơ đồ hình 1.18 1.2.3.Transitor trường – Field effect Transistor a. Khái niệm Transitor trường được viết tắt là FET (Field effect Transitor) là loại Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn khác với Transitor lưỡng cực BJT ( Bipolar Junction Transitor) loại NPN hay PNP có tổng trở đầu vào tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông thường kiểu E chung. Hình 1.19. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET 17
Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với đường dòng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928. Nhưng ứng dụng thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời. Hình 16 mô tả nguyên lí làm việc của FET. Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán dẫn nêu trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán dẫn kênh N. Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P. Sơ đồ dưới đây mô tả các loại khác nhau của Transitor trường. Các Transitor trường có 3 chân: Cực máng D (Drain), Cực nguồn (Source), Cực cổng (Gate). Các cực của Transitor trường trong so sánh với Transitor BJC Cực S tương đương với cực Emitter Cực G tương đương với cực Base Cực D tương đương với cực Collector Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ω, ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ω) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor trường có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs. Hình 1.20. Ký hiệu Transitor trường b.Transitor JFET (Junction FET) - Cấu tạo, nguyên lí làm việc JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET. JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P. Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao gồm có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate). 18
Hình 1.21: Mặt cắt của một JFET kênh N Như vậy hình thành một kênh dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và S, cách li với cực cổng G dùng làm cực điều khiển bởi một lớp tiếp xúc bao quanh kênh dẫn. Đối với JFET kênh P thì hoàn toàn tương tự. Ký hiệu và cực tính điện áp phân cực cũng như dòng điện và đặc tính điều khiển cho các JFET loại kênh N và kênh P như hình 1.22. - Nguyên lí hoạt động Để phân cực JFET người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và UGS < 0 như hình vẽ (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược). Do tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID. Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều này có thể giải thích như sau: ID -ID D D G + G -UDS - UDS S - S -UD + + - -UGS UGS + - ID -ID -UGS UGS Hình 1.22: Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET 19