Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

Chia sẻ: Up Upload | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

88
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay điện năng đã vμ đang lμ nguồn năng l−ợng chính tạo đμ cho sự phát triển của mọi, ngμnh mọi lĩnh vực đời sống, kinh tế, quốc phòng... của mỗi quốc gia. ở mỗi thời kỳ khác nhau năng lượng điện thâm nhập vμo quá trình sản xuất, phục vụ các mục đích của con người cũng khác nhau. Nh−ng một điều rõ rμng lμ xã hội cμng phát triển, hiện đại thì nhu cầu về điện năng cμng lớn vμ nó cμng được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên năng lượng điện chỉ mang tính ưu việt khi các thông số của nó...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

Luận văn tốt nghiệp Đề tài: " Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất"
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Më ®Çu 1 §Æt vÊn ®Ò HiÖn nay ®iÖn n¨ng ®· vµ ®ang lµ nguån n¨ng l−îng chÝnh t¹o ®µ cho sù ph¸t triÓn cña mäi, ngµnh mäi lÜnh vùc ®êi sèng, kinh tÕ, quèc phßng... cña mçi quèc gia. ë mçi thêi kú kh¸c nhau n¨ng l−îng ®iÖn th©m nhËp vµo qu¸ tr×nh s¶n xuÊt, phôc vô c¸c môc ®Ých cña con ng−êi còng kh¸c nhau. Nh−ng mét ®iÒu râ rµng lµ x· héi cµng ph¸t triÓn, hiÖn ®¹i th× nhu cÇu vÒ ®iÖn n¨ng cµng lín vµ nã cµng ®−îc øng dông réng r·i. Tuy nhiªn n¨ng l−îng ®iÖn chØ mang tÝnh −u viÖt khi c¸c th«ng sè cña nã nh− dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p, tÇn sè... æn ®Þnh ë møc cho phÐp. Cßn khi l−íi ®iÖn x¶y ra sù cè nh− mÊt mét pha, ng¾n m¹ch, chÕ ®é mÊt ®èi xøng vÒ ®iÖn ¸p hoÆc ®¶o thø tù pha... nÕu kh«ng cã c¸c biÖn ph¸p b¶o vÖ tin cËy th× sÏ g©y t¸c h¹i rÊt xÊu ®Õn thiÕt bÞ ®iÖn vµ rÊt nguy hiÓm cho ng−êi sö dông. V× vËy viÖc nghiªn cøu, thiÕt kÕ øng dông c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ lµ vÊn ®Ò rÊt quan träng. C¸c thiÕt bÞ ®iÖn cµng tinh vi cµng hiÖn ®¹i th× cµng cÇn thiÕt ph¶i b¶o vÖ. Yªu cÇu cña b¶o vÖ khi Êy ph¶i rÊt tin cËy, chÝnh x¸c vµ ®é ch¾c ch¾n cao. ChÕ ®é kh«ng ®èi xøng cña l−íi ®iÖn ba pha g©y qua t¶i, ph¸t nãng vµ t¨ng tæn thÊt trong m¸y ph¸t, ®éng c¬ kh«ng ®ång bé, m¸y biÕn ¸p.... lµm cho thiÕt bÞ ®iÖn ho¹t ®éng kh«ng tin cËy hoÆc bÞ háng. ChÕ ®é mÊt ®èi xøng rÊt nguy hiÓm mµ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé th−êng gÆp lµ mÊt pha hoÆc thø tù pha thay ®æi. Khi ®ã ®éng c¬ bÞ qu¸ t¶i, m«men quay gi¶m, nhiÖt ®é t¨ng cao lµm ch¸y háng c¸ch ®iÖn. ThiÖt h¹i do ®éng c¬ bÞ háng hãc, lµm gi¸n ®o¹n quy tr×nh c«ng nghÖ cña nhµ m¸y, xÝ nghiÖp, g©y ra c¸c hËu qu¶ nghiªm träng. ®Ó b¶o vÖ ®éng c¬ ®iÖn vµ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn ba pha nãi chung ng−êi ta sö dông c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ nh−: cÇu ch¶y, ¸pt«m¸t, r¬le..... nh−ng trong nhiÒu tr−êng hîp chóng ta ch−a ®¹t ®−îc nhu cÇu cÇn thiÕt cña b¶o vÖ. Ch¼ng h¹n ®Ó b¶o vÖ ®éng c¬ khi bÞ qua t¶i ng−êi ta th−êng dïng c¸c lo¹i r¬le nhiÖt, song 1
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 trong nhiÒu tr−êng hîp r¬le nhiÖt kh«ng t¸c ®éng, nhÊt lµ khi ®éng c¬ bÞ mÊt pha vµ ®¶o pha. V× thÕ nhiÒu quèc gia trªn thÕ giíi ®· ®Çu t− m¹nh mÏ cho viÖc nghiªn cøu vµ øng dông nh÷ng thµnh tùu míi cña khoa häc kü thuËt trªn c¬ së ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña kü thuËt ®iÖn tö, ®iÖn tö c«ng suÊt.... vµo viÖc nghiªn cøu vµ chÕ t¹o thiÕt bÞ b¶o vÖ. Trong giai ®o¹n c«ng nghiÖp hãa hiÖn ®¹i hãa nÒn kinh tÕ cña ®Êt n−íc chóng ta cÇn sö dông nhiÒu thiÕt bÞ b¸n dÉn c«ng suÊt ®−îc ®−a vµo trong c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn ®Ó t¹o nªn sù thay ®æi s©u s¾c vµ v−ît bËc trong lÜnh vùc s¶n xuÊt vµ trong viÖc phôc vô ®êi sèng hµng ngµy. Theo ®ã lµ sù bïng næ cña khoa häc kü thuËt, ®iÒu nµy kÐo theo sù ph¸t triÓn vµ hoµn thiÖn cña c¸c triac, diod, thyristor... c¸c bé biÕn ®æi ngµy cµng hiÖn ®¹i, gän nhÑ, ®é t¸c ®éng nhanh, dÔ ghÐp nèi víi c¸c vi m¹ch ®iÖn tö. §Ó tiÕp thu c¸c tiÕn bé cña khoa häc kü thuËt nh»m ®¸p øng yªu cÇu ®æi míi c«ng nghÖ ®Ó ®−a tù ®éng hãa vµo s¶n xuÊt em xin giíi thiÖu ®Ò tµi. “Nghiªn cøu thiÕt kÕ m¹ch b¶o vÖ ®éng c¬ dïng b¸n dÉn c«ng suÊt.” ë n−íc ta, nhiÒu n¨m gÇn ®©y mét sè ®¬n vÞ khoa häc kü thuËt ®· ®Çu t− nghiªn cøu chÕ t¹o thiÕt bÞ b¶o vÖ chèng mÊt pha vµ ®¶o pha ®èi víi ®éng c¬ ®iÖn. C¬ s¬ cña viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o dùa trªn nh÷ng t− liÖu n−íc ngoµi vµ c¶i tiÕn mét sè thiÕt bÞ s½n cã cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn n−íc ta. HiÖn nay nÒn kinh tÕ ph¸t triÓn theo xu h−íng thÞ tr−êng, ngµnh thiÕt bÞ ®iÖn còng ®−îc ®a d¹ng ho¸. C¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ còng v× thÕ mµ phong phó, nhiÒu chñng lo¹i, chÕ t¹o theo nhiÒu tiªu chuÈn kh¸c nhau. Bªn c¹nh nh÷ng −u viÖt vÒ tÝnh n¨ng kü thuËt, ph¹m vi sö dông. C¸c thiÕt bÞ nµy cßn béc lé nhiÒu trë ng¹i lµ gi¸ thµnh cao. §Æc biÖt lµ trong n«ng nghiÖp, ®èi víi c¸c c¬ së kinh tÕ nhá, xÝ nghiÖp xay s¸t, chÕ biÕn n«ng s¶n, c¸c tr¹m b¬m c«ng suÊt nhá th× viÖc sö dông c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ ®¾t tiÒn cho ®éng c¬ lµ mét bµi to¸n nan gi¶i. Do cßn h¹n chÕ vÒ mÆt tr×nh ®é vµ thêi gian nghiªn cøu, kinh nghiÖm con nhiÒu non kÐm nªn ®Ò tµi nµy ch¾c kh«ng thiÕu nh÷ng sai sãt, ch−a ®−îc 2
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 hoµn thiÖn. RÊt mong ®−îc sù gãp ý, gióp ®ì cña c¸c thÇy c« gi¸o, c¸c c¸n bé khoa häc kü thuËt vµ c¸c b¹n ®ång nghiÖp quan t©m ®Õn ®Ò tµi nµy. 2 Môc ®Ých ®Ò tµi - T×m hiÓu vÒ c¸c linh kiÖn b¸n dÉn vµ c¸c phÇn tö logic. - Nghiªn cøu vÒ ®éng c¬ ba pha vµ sù mÊt c©n b»ng pha. - øng dông c¸c linh kiÖn b¸n dÉn vµ phÇn tö logic vµo viÖc nghiªn cøu, thiÕt kÕ m¹ch b¶o vÖ ®éng c¬. 3 néi dung ®Ò tµi §Ò tµi øng dông ®iÖn tö c«ng suÊt trong Nghiªn cøu thiÕt kÕ m¹ch b¶o vÖ ®éng c¬ dïng b¸n dÉn c«ng suÊt lµ mét ®Ò tµi réng. C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu øng dông ®ßi hái mÊt nhiÒu thêi gian. V× thêi gian lµm ®å ¸n cã h¹n nªn ®Ò tµi ®−îc giíi h¹n nh− sau. Ch−¬ng1: Giíi thiÖu mét sè linh kiÖn b¸n dÉn vµ mét sè m¹ch logic c¬ b¶n Ch−¬ng 2: Giíi thiÖu vÒ m¹ch ®iÖn xoay chiÒu vµ ®éng c¬ ba pha Ch−¬ng 3: ¶nh h−ëng cña nguån ®iÖn ®Õn sù lµm viÖc cña ®éng c¬ ba pha Ch−¬ng 4: Mét sè ph−¬ng ph¸p b¶o vÖ ®éng c¬ ba pha 4 Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu - ThiÕt kÕ, tÝnh to¸n m¹ch ®iÖn trªn lý thuyÕt. - Tæ hîp c¸c tÝn hiÖu ph¸t hiÖn mÊt pha vµ ®¶o pha trªn chÝnh c¸c pha cña nguån, tõ hai pha liªn tiÕp nhau ®Ó ®¶m b¶o ®óng thø tù c¸c pha. ViÖc tæ hîp c¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c m¹ch logic cña NhËt: 4011, 4049, 4081. - TiÕn hµnh l¾p r¸p kh¶o nghiÖm trong thùc tÕ ®Ó hiÖu chØnh l¹i m¹ch. Ch−¬ng I 3
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 mét sè linh kiÖn b¸n dÉn vµ c¸c m¹ch logic c¬ b¶n 1.1 §i«t 1.1.1 §i«t c«ng suÊt + CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng §i«t ®−îc h×nh thµnh tõ hai chÊt b¸n dÉn P vµ N ghÐp l¹i víi nhau t¹o thµnh líp chuyÓn tiÕp P- N. §i«t b¸n dÉn cã cÊu t¹o nh− h×nh 1.1 c) H×nh 1.1: §i«t b¸n dÉn a- CÊu tróc bªn trong cña ®i«t b- Ký hiÖu cña ®i«t c- H×nh d¹ng bªn ngoµi cña ®i«t §Æc tÝnh V- A cña ®i«t biÓu diÔn quan hÖ U= f(I) gi÷a dßng ®iÖn qua ®i«t vµ ®iÖn thÕ ®Æt vµo 2 cùc ®i«t. §Æc tÝnh V- A tÜnh cña ®i«t cã 2 nh¸nh. Nh¸nh thuËn: øng víi ph©n ¸p thuËn (s¬ ®å nèi m¹ch ë gãc I) th× dßng ®iÖn t¨ng theo ®iÖn ¸p. Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®i«t v−ît mét ng−ìng Un cì 0,1÷ 0,5 V vµ ch−a lín l¾m th× ®Æc tÝnh cã d¹ng parabol (®o¹n 1). Khi ®iÖn ¸p lín h¬n th× ®Æc tÝnh gÇn nh− ®−êng th¼ng (®o¹n 2). §iÖn trë thuËn cña ®i«t ë 1 ®iÓm nµo ®ã trªn ®Æc tÝnh th−êng nhá vµ cã thÓ tÝnh theo: ΔI 1 = tgα = (1-1) Rth ΔU 4
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 dI §ã chÝnh lµ gi¸ trÞ nghÞch ®¶o ®¹o hµm cña ®Æc tÝnh cña t¹i ®iÓm dU tÝnh ®iÖn trë. Nh¸nh ng−îc øng víi ph©n ¸p ng−îc (s¬ ®å nèi m¹ch ë gãc III). Lóc ®Çu , ®iÖn ¸p ng−îc t¨ng th× dßng ®iÖn ng−îc (dßng ®iÖn rß) rÊt nhá còng t¨ng nh−ng chËm (®o¹n 3). Tíi ®iÖn ¸p ng−îc U > 0,1V th× dßng ®iÖn ng−îc cã trÞ sè nhá vµi mA vµ gÇn nh− gi÷a nguyªn. Sau ®ã ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín U > Ungmax th× dßng ®iÖn ng−îc t¨ng nhanh (®o¹n khuûnh 4) vµ cuèi cïng (®o¹n 5) th× ®i«t bÞ ®¸nh thñng. Lóc nµy, dßng ®iÖn ng−îc t¨ng vät dï cã gi¶m ®iÖn ¸p. §iÖn ¸p lóc nµy lµ ®iÖn ¸p chäc thñng. §i«t bÞ ph¸ háng. §Ó ®¶m b¶o an toµn cho ®i«t, ta nªn cho ®i«t lµm viÖc víi ®iÖn ¸p ng−îc – 0,8 Ungmax th× dßng ®iÖn rß qua ®i«t nhá kh«ng ®¸ng kÓ vµ ®i«t coi nh− ë tr¹ng th¸i khãa. Vïng khuûnh lµ vïng ®iÖn trë ng−îc cña ®i«t ®ang tõ trÞ sè rÊt lín chuyÓn sang trÞ sè rÊt nhá dÉn ®Õn dßng ®iÖn ng−îc tõ trÞ sè rÊt nhá trë thµnh trÞ sè rÊt lín. H×nh 1.2: §Æc tÝnh V-A cña ®i«t 5
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Khi ph©n cùc thuËn th× dßng ®iÖn qua ®i«t theo c«ng thøc: ⎛ q.VD ⎞ I D = I s ⎜ e KT − 1⎟ (1- 2) ⎝ ⎠ Ta cã: q= 1,6.10-19 C T: NhiÖt ®é tuyÖt ®èi (0K) K: H»ng sè boltzman, k=1,38 hoÆc K=1,38.10-23j/0K. + C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña ®i«t. - Dßng ®iÖn ®Þnh møc là dßng cùc ®¹i cho phÐp ®i qua ®i«t trong thêi gian ®i«t më (ID). -§iÖn ¸p ng−îc cùc ®¹i UNgmax lµ ®iÖn ¸p ng−îc cùc ®¹i cho phÐp ®Æt vµo ®i«t trong mét thêi gian dµi khi ®i«t kho¸. - §iÖn ¸p r¬i ®Þnh møc Δu lµ ®iÖn ¸p r¬i trªn ®i«t khi ®i«t më vµ dßng qua ®i«t b»ng dßng thuËn ®Þnh møc. - Thêi gian phôc håi tÝnh kho¸ Tk lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®i«t chuyÓn tõ tr¹ng th¸i më sang tr¹ng th¸i kho¸. + C¸c øng dông cña ®i«t - ChØnh l−u mét pha hai nöa chu kú V1 = Vm Sinωt V2 = -Vm Sinωt H×nh1.3: M¹ch chØnh l−u mét pha hai nöa chu kú - M¹ch chØnh l−u 3 pha mét nöa chu kú V1 = Vm Sinωt V2 = Vm (Sinωt - 2π/3) V3 = Vm (Sinωt - 4π/3) H×nh 1.4: M¹ch chØnh l−u ba pha mét nöa chu kú 6
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 - ChØnh l−u cÇu V1 V2 H×nh 1.5: ChØnh l−u cÇu - Dïng b¶o vÖ tranzito H×nh 1.6: M¹ch b¶o vÖ tranzito B¶ng 1.1: §i«t c«ng suÊt ΔU Itb Uim Tèc ®é qu¹t Téc ®é n−íc M· hiÖu A V V m/s l/ph Liªn X« (cò) chÕ t¹o 100÷ 1000 B- 10 10 0,7 100÷ 1000 B-20 20 0,7 B-25 25 0,7 3 100÷ 1000 B-50 50 0,7 6 100÷ 1000 B-200 200 0,7 12 100÷ 1000 BK2b-350 350 0,8 4 300÷ 1000 BΠ-10 10 0,6 300÷ 1000 BΠ- 25 25 0,6 3 300÷ 1000 50 0,6 6 BΠ-50 7
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 BΠ-200 300÷ 1000 200 0,7 12 BΠ-1000 1000 1000 0,8 4 H·ng Thomson chÕ t¹o 200÷ 800 ESM- 61 10 80÷ 300 BYX- 61 12 200÷ 1000 BYT 30 30 200÷ 1000 BYT 60 60 50÷ 200 BYW 80 80 1.1.2 §i«t æn ¸p §i«t æn ¸p lµ mét lo¹i ®i«t b¸n dÉn cã ®Æc tÝnh æn ¸p, ®−îc dïng s¶n xuÊt chuyªn dông phôc vô c¸c thiÕt bÞ æn ¸p vµ m¹ch ®iÖn tö. Nã ®−îc ph©n biÖt víi c¸c lo¹i ®i«t kh¸c cã øng dông chØnh l−u, t¸ch sãng..... + T¸c dông æn ¸p. §Ó thÊy râ t¸c dông æn ¸p cña ®i«t ta h·y xÐt phÇn nghÞch cña ®Æc tuyÕn V- A cña ®i«t æn ¸p. Khi ®iÖn ¸p nghÞch ®¹t ®Õn mét gi¸ trÞ nhÊt ®Þnh, th× dßng ®iÖn nghÞch t¨ng lªn mét c¸ch ®ét biÕn, sau ®ã øng víi ph¹m vi biÕn thiªn rÊt lín cña dßng ®iÖn nghÞch lµ ph¹m vi biÕn thiªn rÊt nhá cña ®iÖn ¸p nghÞch. §ã lµ hiÖn t−îng ®¸nh thñng ®iÖn. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông ®Æc tÝnh æn ¸p nãi trªn lµ trong m¹ch ®iÖn ®i«t æn ¸p ph¶i cã biÖn ph¸p h¹n chÕ dßng ®iÖn sao cho sù ®¸nh thñng kh«ng dÉn ®Õn sù ®¸nh thñng nhiÖt lµm háng bãng æn ¸p. + M¹ch ®iÖn t−¬ng ®−¬ng H×nh 1.7: M¹ch ®iÖn t−¬ng ®−¬ng vµ ký hiÖu cña ®i«t æn ¸p 8
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 + Nguyªn lý ®¸nh thñng: HiÖn t−îng ®¸nh thñng x¶y ra trong chuyÓn tiÕp P- N cã thÓ do hai c¬ chÕ sau ®©y: - HiÖn t−îng ®¸nh thñng zener (xuyªn hÇm): Khi ®iÖn tr−êng nghÞch ®Æt vµo ®ñ lín th× c¸c ®iÖn tö liªn kiÕt ®ång ho¸ trÞ cã thÓ ®ñ n¨ng l−îng ®Ó t¸ch khái nguyªn tö trë thµnh ®iÖn tö tù do, t¹o ra cÆp ®iÖn tö- lç trèng. V× lóc nµy sè h¹t dÉn t¨ng ®ét biÕn nªn x¶y ra hiÖn t−îng ®¸nh thñng. - C¬ chÕ ®¸nh thñng th¸c lò: Khi ®iÖn tr−êng nghÞch ®Æt vµo m¹nh, th× n¨ng l−îng cña c¸c h¹t dÉn t¨ng lªn lín h¬n, cã thÓ x¶y ra va ch¹m lµm bøt c¸c ®iÖn tö líp ngoµi cña nguyªn tö. Ph¶n øng d©y chuyÒn nµy x¶y ra lµm cho sè h¹t dÉn t¨ng lªn ®ét biÕn nªn x¶y ra hiÖn t−îng ®¸nh thñng. + C¸c tham sè cña ®i«t æn ¸p - §iÖn ¸p æn ¸p lµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p æn ¸p trªn hai cùc cña ®i«t æn ¸p khi nã lµm viÖc trong m¹ch ®iÖn æn ¸p. Gi¸ trÞ nµy cã thÓ thay ®æi nhá, phô thuéc vµo dßng ®iÖn c«ng t¸c nhiÖt ®é. - Dßng ®iÖn c«ng t¸c lµ gi¸ trÞ dßng ®iÖn n»m gi÷a ®o¹n ®Æc tuyÕn lµm viÖc cña ®i«t zener ®−îc dïng ®Ó tham kh¶o. - HÖ sè nhiÖt ®é lµ hÖ sè biÓu thÞ sù ¶nh h−ëng cña biÕn ®æi nhiÖt ®é ®èi víi gi¸ trÞ ®iÖn ¸p æn ¸p. - §iÖn trë ®éng lµ tû sè gi÷a sè gia ®iÖn ¸p vµ sè gia dßng ®iÖn t−¬ng øng. §iÖn trë ®éng thay ®æi theo dßng ®Þªn c«ng t¸c, dßng ®Þªn c«ng t¸c cµng lín th× ®iÖn trë ®éng cµng nhá. - C«ng suÊt tiªu hao cho phÐp lµ tham sè x¸c ®Þnh nhiÖt ®é t¨ng cao cho phÐp. NÕu biÕt ®iÖn ¸p æn ¸p th× tÝnh ®−îc dßng ®iÖn c«ng t¸c cùc ®¹i cho phÐp b»ng tû sè gi÷a c«ng suÊt tiªu hao cho phÐp víi gi¸ trÞ ®iÖn ¸p æn ¸p. 1.1.3 ®i«t ph¸t quang (§Ìn LED) + Linh kiÖn hiÓn thÞ b¸n dÉn - Mét sè vËt liÖu b¸n dÉn ®Æc biÖt nh− hîp chÊt GaAsP, khi lµm thµnh líp chuyÓn tiÕp P- N, nÕu cã ®iÖn ¸p thuËn ®Æt vµo, th× cã bøc x¹ quang, tøc lµ biÕn ®iÖn n¨ng thµnh quang n¨ng. Sö dông c¸c chuyÓn tiÕp P- N bøc x¹ quang cã thÓ chÕ t¹o c¸c linh kiÖn nh− ®i«t ph¸t quang (®Ìn LED). 9
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 - §Æc ®iÓm: Quang phæ ph¸t x¹ cña hiÓn thÞ b¸n dÉn phï hîp víi c¶m thô thÞ gi¸c, ®iÖn ¸p c«ng t¸c thÊp (1,5 – 5)V, thÓ tÝch nhá, tuæi thä cao (h¬n 1000 giê lµm viÖc), dßng ®Þnh møc I®m=(10 ÷20) mA. + Nguyªn lý lµm viÖc. T−¬ng tù nh− c¸c lo¹i ®i«t b¸n dÉn kh¸c, chØ cã ®iÒu kh¸c biÖt lµ d−íi t¸c dông cña dßng ®iÖn th× vËt liÖu chÕ t¹o ®i«t quang sÏ ph¸t s¸ng. Do ®Æc ®iÓm nµy nªn vá cña ®i«t quang ph¶i trong suèt ®Ó cã thÓ nhËn biÕt ®−îc mÇu s¾c cña ¸nh s¸ng chÊt ph¸t quang t¹o ra khi cã dßng ®iÖn t¸c dông vµo. + §Æc ®iÓm - −u ®iÓm: hiÓn thÞ phï hîp víi thÞ gi¸c, æn ®Þnh vµ tin cËy, t©m hiÓn thÞ kh¸ lín, tuæi thä cao. - Nh−îc ®iÓm: cÇn nguån c«ng suÊt phï hîp ®Ó cã thÓ ph¸t ra ¸nh s¸ng ®ñ ®Ó cã thÓ nhËn biÕt b»ng m¾t th−êng. 1.2 Tranzito c«ng suÊt 1.2.1 CÊu t¹o Tranzito lµ linh kiÖn b¸n dÉn gåm 3 líp b¸n dÉn PNP hoÆc NPN ghÐp víi nhau nh− h×nh sau. P P N a) b) B H×nh 1.8: Tranzito lo¹i PNP a, s¬ ®å cÊu tróc b, ký hiÖu E C N P N B a) b) H×nh 1.9: Tranzito lo¹i NPN a, s¬ ®å cÊu tróc b, ký hiÖu Líp gi÷a ®−îc gäi lµ cùc gèc (Baz¬) ký hiÖu lµ B, mét líp bªn gäi lµ cùc ph¸t (Emiter) ký hiÖu lµ E, líp cßn l¹i lµ líp ghãp (Colect¬) ký hiÖu lµ C. 10
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Líp ph¸t E cã c−êng ®é t¹p chÊt lín nhÊt, líp gèc B cã nång ®é t¹p chÊt nhá nhÊt. §Ó ph©n biÖt víi c¸c lo¹i tranzito kh¸c, tranzito PNP vµ NPN cßn gäi lµ tranzito l−ìng nèi viÕt BJT (Bipolar Juntion Tranzito). 1.2.1 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng Trong ®iÖn tö c«ng suÊt ng−êi ta dïng phæ biÕn nhÊt lo¹i tranzito NPN. tranzito c«ng suÊt ®−îc dïng ®Ó ®ãng ng¾t dßng ®iÖn mét chiÒu c−êng ®é t−¬ng ®èi lín, v× vËy chóng chØ lµm viÖc ë hai tr¹ng th¸i ®ãng vµ tr¹ng th¸i më. §Ó tranzito lµm viÖc ng−êi ta ph¶i ®−a ®iÖn ¸p mét chiÒu tíi c¸c cùc B cña tranzito gäi lµ ph©n cùc cho tranzito. a) b) H×nh 1.10: S¬ ®å ph©n cùc cña tranzito npn (a) vµ pnp (b) ë chÕ ®é khuÕch ®¹i §Ó ph©n tÝch nguyªn lý lµm viÖc ta lÊy tranzito pnp lµm vÝ dô. Do JE ph©n cùc thuËn nªn c¸c h¹t ®a sè (lç trèng) tõ miÒn E phun qua JE t¹o nªn dßng emit¬ (IE). Chóng tíi vïng baz¬ t¹o thµnh h¹t thiÓu sè vµ tiÕp tôc khuÕch t¸n s©u vµo vïng baz¬ h−íng tíi JC. Trªn ®−êng khuÕch t¸n mét phÇn nhá bÞ t¸i hîp víi h¹t ®a sè cña baz¬ t¹o nªn dßng ®iÖn cùc baz¬ (IB). Do cÊu t¹o miÒn baz¬ máng nªn gÇn nh− toµn bé c¸c h¹t khuÕch t¸n tíi ®−îc bê cña JC vµ bÞ tr−êng gia tèc (do JC ph©n cùc ng−îc) cuèn qua tíi ®−îc miÒn colect¬ t¹o nªn dßng ®iÖn colect¬ (IC). Qua viÖc ph©n tÝch trªn ta cã mèi qua hÖ vÒ dßng ®iÖn trong tranzito: IE= IB + IC (1-3) §Ó ®¸nh gi¸ møc ®é hao hôt dßng khuÕch t¸n trong vïng baz¬ ng−êi ta ®Þnh nghÜa hÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn α cña tranzito. 11
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 IC α= (1- 4) IE HÖ sè α x¸c ®Þnh chÊt l−îng cña tranzito vµ cã gi¸ trÞ cµng gÇn mét víi c¸c tranzito lo¹i tèt. §Ó ®¸nh gi¸ t¸c dông ®iÒu khiÓn cña dßng ®iÖn IB tíi dßng colect¬ (IC), ng−êi ta ®Þnh nghÜa vÒ hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β cña tranzito. IC β= (1- 5) IB β th−êng cã gi¸ trÞ trong kho¶ng vµi chôc ®Õn vµi tr¨m. Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta cã mèi quan hÖ gi÷a c¸c hÖ sè: IE= IB(1+β) (1- 6) β α= vµ (1- 7) 1+ β −u ®iÓm næi bËt cña tranzito lµ chØ cÇn ®iÒu khiÓn dßng IB lµ cã thÓ ®iÒu khiÓn cho tranzistor ®ãng ng¾t dÔ dµng. 1.2.3 C¸ch thøc ®iÒu khiÓn tranzito Gäi IC lµ dßng colect¬ chÞu ®−îc ®iÖn ¸p b·o hoµ VCEsat khi tranzito dÉn dßng b·o hoµ IB= IBbh vµ khi kho¸ IB= 0; VCEsat=VCE. + M¹ch trî gióp tranzito më Khi tranzito chuyÓn tõ tr¹ng th¸i ®ãng sang tr¹ng th¸i më. M¹ch trî gióp bao gåm c¸c phÇn tö tô ®iÖn (C), ®iÖn trë (R2), ®i«t(D2) 12
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 H×nh 1.11: M¹ch trî gióp tranzito më tf: thêi gian cÇn thiÕt ®Ó IC tõ gi¸ trÞ max gi¶m xuèng 0 Dßng ®iÖn t¶i I lµ thêi gian chuyÓn m¹ch cña tranzito rÊt ng¾n vËy cho nªn dßng t¶i = const. S¬ kiÖn: VCE = 0 IC = I ID = 0 (1- 8) Khi cho xung ¸p ©m t¸c ®éng vµo cùc gèc baz¬ cña tranzito dßng IC gi¶m xuèng kh«ng trong kho¶ng thêi gian tf. NÕu kh«ng cã m¹ch trî gióp ta cã: I = IC + ID = const (1-9) Khi gi¶m IC th× ID T¨ng lªn ngang D1 sÏ lµm ng¾n m¹ch t¶i n¨ng l−îng tiªu t¸n bªn trong tranzito sÏ lµ: U . I .t f WT = (1-10) 2 ChÝnh v× vËy ta ph¶i m¾c thªm m¹ch trî gióp më cho trazito. I= IC ≈ ID = const Khi IC b¾t ®Çu gi¶m th× I1 còng b¾t ®Çu t¨ng(IC vµ I1 phi tuyÕn víi nhau, lóc nµy tô ®iÖn C ®−îc n¹p ®iÖn) dV c I − I C = (1-11) dt C 13
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 n¨ng h¹n chÕ sù t¨ng vät cña dßng IC trong kho¶ng thêi gian ®ãng Ton cña tranzito. Ton: lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó VCE gi¶m tõ ®iÖn ¸p nguån VCC xuèng VCE≈ 0. Thêi gian tæng céng cho qóa tr×nh ®ãng lµ tf. ®iÖn c¶m L ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Δi di I UR =U = L = L ⇒ L = L (1- 14) Δt dt R I §Ó chän L ta chän thêi gian ®ãng tr trong kho¶ng: 2ton < tr < 5ton §iÖn trë R4 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng do søc ®iÖn ®éng tù c¶m trong cuén c¶m (L) t¹o ra trong m¹ch L; D5; R4 trong kho¶ng thêi gian tc chuyÓn sang tr¹ng th¸i më cña tranzito. Nh− vËy tc ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn. i tc > (1-15) R4 §iÖn trë R5 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng ®iÖn phãng cña tô ®iÖn C trong m¹ch víi kho¶ng thêi gian ®ãng tf. Ta cã D6: T¹o m¹ch ®èi víi xung ¸p d−¬ng ®Æt vµo cùc gèc baz¬ D5: h¹n chÕ dßng ®iÒu khiÓn cho cùc gèc (baz¬) D4: Dïng ®Ó chèng b·o hoµ 1.2.4 øng dông cña tranzito c«ng suÊt + M¹ch khuÕch ®¹i H×nh: 1.13: Tranzito lµm viÖc ë chÕ ®é khuÕch ®¹i - Trong thùc tÕ tranzito th−êng ®−îc lµm viÖc ë chÕ ®é kho¸ - Khi dßng ë cùc gèc b»ng kh«ng dßng ®iÖn cùc ghãp b»ng kh«ng, 15
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 tranzito lóc nµy hë m¹ch hoµn toµn. - Khi dßng ®iÖn ë cùc gèc cã gi¸ trÞ b·o hoµ th× tranzito trë vÒ tr¹ng th¸i dÉn hoµn toµn. 1.2.5 C¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tranzito - §é khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β β cã trÞ sè thay ®æi theo dßng IC. Khi dßng IC nhá th× β thÊp, dßng IC t¨ng th× β t¨ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i nÕu tiÕp tôc t¨ng IC ®Õn møc b·o hoµ th× β gi¶m. IC β= (1-16) IB - Dßng ®iÖn giíi h¹n Dßng ®iÖn qua tranzito ph¶i ®−îc giíi h¹n ë møc cho phÐp nÕu qu¸ trÞ sè th× tranzito sÏ bÞ h−. ICmax : lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc colect¬ IBmax: lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc baz¬ - §iÖn thÕ giíi h¹n §iÖn thÕ ®¸nh thñng BV (breakdown Voltage) lµ ®iÖn thÕ ng−îc tèi ®a ®Æt vµo gi÷a c¸c cÆp cùc. - TÇn sè c¾t TÇn sè thiÕt ®o¹n (f cut- off) lµ tÇn sè mµ tranzito hÕt kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i lóc ®ã ®iÖn thÕ ngâ ra b»ng ®iÖn thÕ ngâ vµo. B¶ng 1.2 Giíi thiÖu mét sè lo¹i tranzito 16
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 VCE VCE0 VCE,sat IC I tf ton ts Pm M· hiÖu μs μs μs V V V A A W BUV, (BUX)20 160 125 1,2 50 5 0,3 1,5 1,2 250 (50) 21 250 200 1,5 40 3 0,12 1,8 1,2 50 22 300 250 1,5 40 2,5 0,5 1,3 2 50 23 400 325 1 30 3,2 1,2 1,3 2,5 50 24 450 400 1 20 2,4 1,4 1,6 3 50 BUT 90 200 125 1,2 50 7 0,4 1,2 1,5 250 91 300 200 1,2 50 4 0,3 1 1,5 250 BUX 47 850 400 1,5 9 1,2 0,8 1 3 125 47A 1000 450 1,5 9 1 0,8 1 3 125 48 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175 48A 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175 98 850 400 1,5 30 4 0,8 1 3 250 98C 1200 700 1,5 30 3 0,8 1 3 250 ESM 3000 200 100 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400 3001 200 150 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400 3002 250 200 1,5 140 28 0,7 1,5 2 400 3004 600 400 1,5 120 13 1 1,5 3,5 400 3005 600 500 1,5 120 10 1 1,5 3,5 400 3006 1000 600 1,5 50 7 1,5 1,5 5 300 3007 1000 700 1,5 50 6 1,5 1,5 5 300 1.3 Thyristor 1.3.1 CÊu t¹o 17
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Thyristor cßn ®−îc gäi lµ SCR (Silicon controlled Rectifier) bé n¾n ®iÖn ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng chÊt silicum. Thyristor lµ linh kiÖn b¸n dÉn gåm b¸n dÉn gåm 4 líp P- N- P- N ghÐp nèi tiÕp t¹o nªn 3 cùc Anode ký hiÖu lµ A d−¬ng cùc, Catode ký hiÖu lµ K ©m cùc vµ cùc Gate ký hiÖu lµ G lµ cùc ®iÒu khiÓn hay cùc cöa. J1, J2, J3 lµ c¸c mÆt ghÐp. a b c c H×nh 1.14: Thyristor a- S¬ ®å cÊu tróc bªn trong b- Ký hiÖu c- C¸c lo¹i thyristor 1.3.2 Nguyªn lý lµm viÖc Tïy theo c¸ch nèi cña A vµ K cña thyristor víi nguån ®iÖn mét chiÒu mµ thyristor cã thÓ ®−îc ph©n ¸p ng−îc hay ph©n ¸p thuËn. Khi ph©n ¸p ng−îc (an«t nèi víi cùc ©m nguån, cat«t nèi víi cùc d−¬ng nguån) nh− h×nh1.15 th× líp ph©n cùc J2 ph©n cùc thuËn (®iÖn trë rÊt nhá) nh−ng c¸c líp tiÕp xóc J1 vµ J3 l¹i ph©n cùc ng−îc (®iÖn trë rÊt lín) kh«ng cã dßng ®iÖn qua tõ K sang A. Phô t¶i (bãng ®Ìn) kh«ng cã dßng ®iÖn ch¶y qua vµ kh«ng s¸ng. Thùc sù th× vÉn cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá, kh«ng ®¸ng kÓ cì vµi mA. §Æc tÝnh V- A khi ph©n ¸p ng−îc lµ nh¸nh thuéc gãc phÇn t− thø III. 18
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 Khi ®iÖn ¸p ng−îc t¨ng ®Õn mét trÞ sè nµo ®ã ®ñ lín (Uct) th× thyristor bÞ chäc thñng gièng nh− tr−êng hîp cña ®i«t vµ kÕt qu¶ lµ dßng ®iÖn ng−îc t¨ng lªn rÊt nhanh vµ m¹nh. Khi ph©n ¸p thuËn (an«t nèi víi cùc d−¬ng nguån, cat«t nèi víi cùc ©m nguån) nh− h×nh 1.15 th× c¸c líp J1 vµ J3 ®−îc ph©n cùc thuËn, ®iÖn trë rÊt nhá, nh−ng líp J2 l¹i bÞ ph©n cùc ng−îc, cã ®iÖn trá rÊt lín. Do vËy, tr−êng hîp nµy còng chØ cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá ch¶y qua líp J2 (thuéc gãc phÇn t− thø I). H×nh 1.15: S¬ ®å ph©n ¸p ng−îc vµ thuËn cña mét thyristor Thyristor kh¸c víi ®i«t ë chç: ®i«t dÉn ®iÖn ngay sau khi ph©n ¸p thuËn, cßn thyristor cã ph©n ¸p thuËn còng ch−a dÉn ®iÖn. Muèn cho thyristor th«ng khi cã ph©n ¸p thuËn cÇn ph¶i cã ®iÒu kiÖn. §iÒu kiÖn g×? §ã lµ ph¶i cÊp mét xung ¸p d−¬ng vµo cùc ®iÒu khiÓn G khi thyristor ®−îc ph©n ¸p thuËn. Xung d−¬ng ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc t¹o ra mét c¸ch ®¬n gi¶n nhê ®ãng c«ng t¾c K ë H×nh 1.16 19