Đề tài Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha

ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ I. Mục tiêu 1.1 Mục tiêu chung: - Sinh viên nắm được quy trình thiết kế mạch điện tử ứng dụng. - Sinh viên rèn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, thi công mạch điện tử. 1.2 Mục tiêu cụ thể: - Kiến thức: nắm vững nguyên lý hoạt động của mạch dao động - Kỹ năng: phân tích và thiết kế mạch, mô phỏng mạch bằng các phần miềm mô phỏng, xây dựng mạch phần cứng. - Thái độ: lên lớp đúng giờ, hoàn thành các phần đồ án đúng giờ, có thái độ tích cực chủ động và tinh thần hợp tác khi làm việc nhóm. II. Nội dung đồ án:“Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha” Sản phẩm của đồ án bao gồm bản thuyết minh và mạch thực tế. Bản thuyết minh gồm các phần sau: Chương I: Nguyên lý hoạt động của mạch Chương II: Thiết kế mạch nguyên lý và mô phỏng mạch. Chương III: Tính chọn linh kiện sử dụng trong mạch. Chương IV: Chế tạo mạch thực tế. III. Tài liệu tham khảo [1] Bài giảng mạch điện tử - TS.Lê Quốc Huy. [2] Giáo trình Điện tử công suất – Trần Văn Thịnh (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 2009). Đà Nẵng, ngày.tháng.năm 2015 Giáo viên hướng dẫn Trần Thái Anh Âu Kiểm tra tiến độ thực hiện đồ án của sinh viên: MỤC LỤC MỞ ĐẦU Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sản suất. Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều. Trong khi đó năng lượng điệu một chiều không kém phần quan trọng như: + Truyền điện cho động cơ điện một chiều + Cung cấp cho các mạch điện tử, sạc acquy. Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ chỉnh lưu. Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trên tải. Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn. Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều nhất định như: Diod, Tiristor Có 2 loại chỉnh lưu: + Chỉnh lưu không điều khiển (Diod): Không thay đổi được điện áp trên tải. + Chỉnh lưu có điều khiển (Tiristor): Thay đổi được điện áp trên tải. Ở đây, ta chỉ xét về bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. ỨNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA. Yêu cầu của mạch điều khiển. Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai trò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu của mạch điều khiển có thế tóm tắt trong 6 điểm chính sau: Độ rộng xung điều khiển Độ lớn xung điều khiển Yêu cầu về độ dốc của răng Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển Yêu cầu về độ tin cậy: Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không tự mở khi dòng rò tăng. Xung điều khiển ít phụ thuộc vào giao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn. Cần khử được nhiều cảm ứng để tránh mở nhầm. Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. Mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao. Nhiệm vụ của mạch điều khiển. Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo ra các xung ở vào những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa. Chức năng của mạch điều khiển: + Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anot – katot của thyristor. + Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor, độ rộng xung tx < 10µs. Biểu thức độ rộng xung: tx=Idtdidt Trong đó: Idt là dòng điện duy trì của thyristor. di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Đối tượng cần điều chỉnh được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Mạch điều khiển thyristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có 2 nguyên lý khống chế ngang và khống chế đứng. Khống chế ngang là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp sang hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa. Nhược điểm của phương pháp này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp. Khống chế đứng là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa. Phương pháp này có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng (0-180o) Có 2 phương pháp điều khiển thẳng đứng là: tuyến tính và arccos: Ø NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG TUYẾN TÍNH: Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Us, đồng bộ với điện áp đặt trên anod – catod của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển Uđk, là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ. Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh . Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: Ud = Uđk – Us Khi Us = Uđk thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh. Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển. -Usm Uđk ωt Uđk α π 2π α -Us Us Hình 1.1 Như vậy bằng cách làm biến đổi Uđk, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α. Giữa α và Uđk có quan hệ sau: α=πUđkUsmax Người ta lấy Uđk max = Us max Ø NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG ARCCOS: Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Us vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc Us = Um Cosωt. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm. Nếu đặt Us vào cổng đảo và Uđk vào cổng không đảo của khâu so sánh thì: Khi Us = Uđk , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái. Um Cosα = Uđk ; Do đó α = arcos( ) ; Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = ; Khi Ucm = - Um thì α = π ; Hình 1.2 Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản: Đồng pha Tạo xung So sánh Uđk T Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển Thyristor. v NHIỆM VỤ CỦA CÁC KHÂU TRONG HÌNH TRÊN NHƯ SAU: Ø Khâu đồng pha: Tạo điện áp tựa URC (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor. Ø Khâu so sánh: So sánh giữa điện áp tựa URC với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Ø Khâu tạo xung: Tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật), đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn). NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG KHÂU TRONG MẠCH. Nguyên lý hoạt động khâu đồng pha. Dùng khuếch đại thuật toán: Ura u1 D1 A2 R1 A B R2 Tr1 C1 C R3 A1 +12 -12 +12 -12 + - + _ Hình 2.2 Sơ đồ khâu đồng pha Sóng UA có dạng hình sin. Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1. Xét nửa chu kì dương của UA: Khi vA > 0 thì op-am A1 có v+ > v- (v-=0 do nối đất) nên ta có: vB = vsat Xét nửa chu kì âm của UA: Khi vA < 0 thì op-am A1 có v+ < v- (v-=0 do nối đất) nên ta có: vB = -vsat Khi đó ta có dạng sóng của UB. Khi vB > 0 thì diode D1 dẫn, transistor Tr1 không dẫn, ta xét mạch tích phân gồm: biến trở R3 , tụ C1 và op-am A2, lúc đó: vC=-1R3C10tvBdt Vì vB không đổi trong khi vB > 0 nên: vC=-vBR3C10tdt=-vBR3C1t Khi vB < 0 thì diode D1 không dẫn, transistor Tr1 dẫn, vòng mạch gồm transistor Tr1 và tụ C1 có tác dụng triệt tiêu phần âm của vB nên vC = 0. Ta có dạng sóng URC. Hình 2.3 Dạng sóng của UA, UB, UC. Nguyên lý khâu so sánh Dùng khuếch đại thuật toán: Hình 2.4 Sơ đồ khâu so sánh Trong op-am A3 ta có: v- = vRC + vDK ; v+ = 0 (nối đất). Khi vRC > -vDK ⇔ vRC + vDK > 0 ⇔ v- > v+ ⇒ vD = - vsat. Khi vRC < -vDK ⇔ vRC + vDK < 0 ⇔ v- < v+ ⇒ vD = vsat. Hình 2.5 Dạng sóng UA, UB, UC, UD. Nguyên lý hoạt động khâu tạo xung chùm. Đối với sơ một đồ mạch, để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng số lượng cho xung kích mở, nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các thyristor. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình vẽ. Ngõ ra của cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các ngõ vào đều ở mức cao. Sau khi qua cổng AND, ta được UF AND Từ so sánh Từ chùm xung Tới khếch đại Hình 2.6 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm Hình 2.7 Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khuếch đại thuật toán. Giả sử lúc đầu vo = vE = vsat ⇒v+=vsat*R6R6+R7 và cùng lúc đó tụ C2 nạp điện theo phương trình: vC2qđ(t) = kvsat (1-e-tR8C2) vC2qđt (hay v-) tăng cho đến khi v->vsat*R6R6+R7=v+ ⇒vo=-vsat⇒v+=-vsat*R6R6+R7 và lúc này tụ C2 xả điện theo phương trình: vC2qđt= -kvsat*e-tR8C2 vC2qđt (hay v-) giảm cho đến khi v-<-vsat*R6R6+R7=v+ ⇒vo=vsat⇒v+=vsat*R6R6+R7 và lúc này tụ C2 lại nạp điện. Quá trình nạp và xả tiếp nối luân phiên như vậy tạo nên chùm xung đa hài UE. Hình 2.8 Dạng sóng UE Nguyên lý hoạt động khâu khuếch đại +E uv R9 D3 Tr2 BAX D2 C3 Hình 2.9 Sơ đồ khâu khuếch đại Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất như hình vẽ. Để có xung dạng kim gửi đến thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr2, diode D2 và D3 bảo vệ Tr2 và cuộn dây sơ cấp BAX khi Tr2 khóa đột ngột. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng 10 đến 200 μs), mà thời gian mở thông các transistor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kì _ 0.01 s), làm cho công suất tỏa nhiệt dư của transistor quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp BAX lớn. Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX, ta có thể thêm tụ nối tầng C3. Theo sơ đồ này, Tr2 chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. R8 u1 A D1 A1 A2 A3 AND C3 R9 R7 R6 A C2 R2 R5 R3 D2 D3 D4 R1 B C D Tr1 T1 BAX +E C2 Udk urc R4 _ _ + _ + + _ + Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Tr2 MBA E F D5 R0 Hoạt động của mạch điều khiển ở hình vẽ được giải thích như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với anod của thyristor, qua khuếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điode D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1, kết quả là A2 bị ngắn mạch ( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3. Trong khoảng thời gian từ 0 → t1 với Uđk > Urc , điện áp UD âm. Trong khoảng t1 → t2, điện áp Uđk và Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự. Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao, với điện áp UE trên hình vẽ. Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz, ở đây chỉ mô tả định tính. Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào. Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE (Trong các khoảng t1 → t2 , t4 → t5) ta sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở thyristor T. Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển, của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt. Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các thyristor rất tiện lợi. Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thị trường. TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH. ĐIỆN TRỞ Khái niệm: Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu có vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ và ngược lại, vật cách điện có điện trở cực lớn . Điện trở dây dẫn là sự phụ thuộc vào chất liệu và tiết diện của dây dẫn được tính theo công thức: R=ρLS Trong đó: R là điện trở có đơn vị là Omh (Ω) L là chiều dài của dây S là tiết diện của dây dẫn Điện trở thực tế và trong các mạch điện tử: Hình dáng và kí hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không phân cực nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử , chúng được làm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỉ lệ mà tạo ra các con điện trở có điện dung khác nhau. Hình 3.1 Hình dạng của điên trở trong mạch điện tử Hình 3.2 Ký hiệu điện trở Biến trở Biến trở là điện trở có thể thay đổi được các giá trị và có kí hiệu là VR có hình dạng Hình 3.3 Hình dạng và kí hiệu biến trở Tụ điện Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiểu, mạch truyền tín hiệu, mạch xoay chiều, mạch dao động Khái niệm: Tụ điện là linh kiện cản trở và phóng nạp khi cần thiết và được đặc trưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp: XC = 12πfC Kí hiệu của tụ ddien trong sơ đồ nguyên lí là: Hình 3.4 Ký hiệu tụ điện Diode Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau . Diode có 2 cực là Anot và Ktot . Nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều từ Anot (A) sang Ktot (K) và nó được coi như là van môt chiều trong mạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong các máy thu thanh truyền hình, mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp . Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn. Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N  có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện =>  lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn. Hình 3.5 Cấu tạo diode bán dẫn Hình 3.6 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn Ø Ứng dụng của Diode bán dẫn. Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động. trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu. TRANSISTOR Là linh kiện điện tử được cấu tạo từ các chất bán dẫn dùng để khuếch đại tín hiệu Cấu tạo: Gồm 3 lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N. Nếu ghép thep thứ tự PNP ta có tran si trỏ thuân,nếu ghép theo thứ tự NPN ta có Transitor nghịch. Về phương diện cấu tạo transitor tương đương với hai Diode có dấu ngược chiều nhau. Hình 3.7 Cấu tạo Transistor Ba lớp đó được chia thành 3 cực: lớp giữa gọi là cực gốc kí hiệu là B (Base), còn hai lớp bên ngoài nối thành cực phát Evà cực thu là C .Cực B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, còn vùng bán dẫn E và C có bán dẫn xùng loại (N hay P) nhưng có nồng độ tạp chất khác nhau nên ko thể hoán vị được. Transitor hoạt động như là một khóa điện tử trong đó B là cực điều khiển. Dòng EC phụ thuộc hoàn toàn vào điện áp đưa vào B. Kí hiệu trong các sơ đồ nguyên lý: Hình 3.7 Hình dạng và kí hiệu của Transitor Trong các mạch điện tử thì có hình dạng sau: Hình 3.8 Hình dạng transitor OPAMP Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một số ưu điểm sau: Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học ... thường là nguồn có tính đối xứng) Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra. Cũng vì lý do này Op-Amps có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều. Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt. Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao. Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá). Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé. Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụ tải. Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau . . . Tuy nhiên cũng như các vi mạch khác, Op-Amps không thể làm việc ổn định khi làm việc với tần số và công suất cao. Ø Hình dạng và kí hiệu của Op-Amp: Trong sơ đồ mạch điện: Hình 3.9 ki hiệu Op- Amp Trong các mạch điện tử thì nó có hình dạng sau: Hình 3.10 Hinh dạng Op- Amp TÍNH TOÁN VÀ CHỌN LINH KIỆN TRONG MẠCH Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu mở Thyristor, do đó ta có các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: w Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk=3.0 V w Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk=Ig=0.1 A w Thời gian mở Thyristor: tm=80 μs. w Độ rộng xung điều khiển: tx=167 μs. w Tần số xung điều khiển: fx=3kHz w Độ mất đối xứng cho phép: ∆α=30 w Điện áp nuôi mạch điều khiển: U = ±12 V w Mức sụt biên độ xung: sx=0.15 Tính máy biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM, lõi có dạng hình xuyến làm việc trên một phần đặc tính của từ hóa có ∆B=0.3T; ∆H=30 A/m không có khe hở không khí. + Tỉ số biến áp xung: thường m=2÷3, chọn m = 3 + Điện áp thứ cấp của MBA xung: U2=Uđk=3 V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA áp xung: U1=mU2=3*3=9 V + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0.1 A + Dòng điện sơ cấp của MBA xung: I1=I2m= 0.13=0.033 + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: μtb=∆Bμ0 . ∆H=0.31,25.10-6.30= 8.103 Trong đó μ0=1.25*10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí. Thể tích của lõi thép cần có: V=Q.l=μtb .μ0 . tx . sx . U1 . I1∆B2 Thay số: V=8.103.1,25.10-6.167.10-6 . 0,15 . 9. 0,03330.32=0,834.10-6 (m3)=0,834 (cm3) Chọn được mạch từ có thể tích V = 1.4 cm3 và kích thước cụ thể như sau: a = 4,5 mm ; b = 6 mm ; Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 ; d = 12 mm ; D = 21 mm. Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 cm. Hình 3.11 Hình chiếu lõi máy biến áp xung Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ U1=W1.Q.dBdt=W1.Q.∆Btx W1=U1.tx∆B.Q=9.167.10-60,3.27.10-6=186 (vòng) Số vòng dây thứ cấp: W2=W1m=1863=62 (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1=I1J1=33,3.10-36=0.0056 (mm2) Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2 + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1=4S1π=4.0,0056π=0.084 (mm) Chọn d=0.1 mm + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2=I2J2=0.14=0.025 mm2 Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2 Đường kính dây quấn thứ cấp: d1=4S2π=4.0,025π=0.178 mm Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 mm. Kiểm tra hệ số lấp đầy: Klđ=S1W1+S2W2(π+d24 =d12W1+d22W2d =0,12.186+0,182.62122=0.03 Tính khâu khuếch đại xung Chọn tranzitor công suất Tr2 loại 2SC1815 làm việc ở chế độ xung, có các thông số sau: Tranzitor loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. + Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ: UCBO=40 V Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colecto: UEBO=4 V + Dòng điện lớn nhất mà colectơ có thể chịu được: ICmax=500 mA + Công suất tiêu tán ở colectơ: Pc=1.7 W + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1=1750C + Hệ số khuếch đại: β=50 + Dòng làm việc của colectơ: Ic3=I1=33.3 (mA) + Dòng làm việc của bazơ: IB3=Ic3β=33,350=0,66 (mA) Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: Uđk=3 V Iđk=0.1 Anên dòng colectơ – bazơ của transistor Tr3 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần transistor Tr2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Transistor. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = +12 (V), với nguồn E = 12 (V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emitơ của Tr3, R1: R10=E-U1I1=12-933,3.10-3≈90 Ω Tất cả các Diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số: + Dòng điện định mức: Iđm=50 µA + Điện áp ngược lớn nhất: UN=700 V + Điện áp để cho Diode mở thông: Um=1 V Chọn cổng AND Ta chọn IC 74HC08 họ 74xx. Mỗi IC 74HC08 có 4 cổng AND. Các thông số của cổng AND là: + Nguồn nuôi IC: Vcc=2÷6 V,ta chọn Vcc=12V + Nhiệt độ làm việc: Tlv= -400C ÷ 800C + Điện áp ứng với mức logic ‘1’: 2 ÷4.5 V + Dòng điện: I < 1 mA + Công suất tiêu thụ: P = 2,5 (nW/1 cổng). Hình 3.13 Sơ đồ chân IC74HC08 Chọn tụ C3 và R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của transistor Tr3, chọn R9 thỏa mãn điều kiện: R9≥UIB3=4,50,66.10-3= 6,757 kΩ Chọn R9=6.8 kΩ Chọn C3 sao cho C3*R9≤tx =>C3≤txR9=1676.8*103=0,024μF Chọn C3=22nF Tính chọn bộ tạo xung chùm. Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn IC loại TL084 do hãng Texas Instrument chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084: + Điện áp nguồn nuôi: Vcc= ± 18V chọn Vcc = ± 12V + Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30V + Nhiệt độ làm việc: T = -25 ÷ 850C + Công suất tiêu thụ: P = 0.68 W + Tổng trở đầu vào: Rin=106 MΩ + Dòng điện đầu ra: Ira=30 pA + Dòng điện đầu vào: Iv=1 mA + Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: dudt=13 (V/μs) Hình 3.14 Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo xung chùm có tần số f = 12tx = 3 kHz, hay chu kỳ của xung chùm: T=1f=334 μs. Ta có: T=2R8C2.ln(1+2 R6R7) Chọn: R6=R7=33 kΩ thì T=2,2.R8.C2=334 μs Vậy ta có: R8.C2=151,8 μs. Chọn tụ C2=0,1 μF có điện áp U=16V ⇒ R8=1.518 kΩ Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R8 là biến trở 2 kΩ. Tính chọn tầng so sánh. Mỗi kênh điều khiển có 1 khuếch đại thuật toán đóng vai trò tầng so sánh ta chọn loại IC TL084 như trên. Chọn R4=R5>UvIv=121.10-3=12 kΩ Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc= ±12 V, thì điện áp vào A3 là Uv=12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA. Do đó ta chọn R4 = R5 =15 kΩ, khi đó dòng điện vào A3: Ivmax=1215.103=0.8 mA Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nửa chu kì điện áp lưới là tuyến tính và các đường răng cưa có đỉnh nhọn tại cuối các bán kì thì hằng số thời gian tụ nạp được Trc chọn cỡ khoảng (0,003 ÷ 0,005)s. Ta chọn: Trc= R3.C1=0,005 s Chọn tụ C1=0,1 μF thì điện trở R3=TrC1=0,0050,1.10-6=50.103Ω=50 kΩ Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thường được chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ để điều chỉnh. Chọn Tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số: + Tranzitor loại PNP làm bằng Si. + Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở mạch emitơ: UCBO = 25 V + Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở mạch collector: UBEO = 7 V + Dòng điện lớn nhất ở collector có thể chịu đựng: ICmax = 100mA + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: TCP=150oC + Hệ số khếch đại: β=250 + Dòng cực đại của Bazơ: IB3=ICβ=100250=0,4 A + Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ transistor Tr1 chọn như sau: Chọn R2 thỏa mãn điều kiện: R2≥ UN.maxIB≈120,4.10-3=30 kΩ + Chọn R2= 30 kΩ + Chọn điện áp đồng pha: UA = 9 V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó R1 ≥ UAIv=91.10-3= 9 kΩ + Chọn R1=10 kΩ Tạo nguồn nuôi Ta cần nguồn ± 12 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC và 4 khuếch đại thuật toán. Hình 3.15 Sơ đồ tạo nguồn nuôi Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng điốt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2= 9 V Để ổn định điện áp ra của nguồn ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này như sau: + Điện áp đầu vào: UV = 7 ÷ 35 V + Điện áp đầu ra: Ura= 12V với IC 7812 Ura= -12V với IC 7912 + Dòng điện đầu ra: Ira = 0 ÷ 1 A Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. + Chọn: C4 = C5= C6 =C7 = 470 µF; Uv = 35 V Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả 3 việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi. Chọn kiểu máy biến áp 1 pha 1 trụ, trên trụ có 3 cuộn dây: 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp + Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha, lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2 = U2đp = UN =9 (V) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2đp =1 (mA) + Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pđp= 6.I2dp.U2dp =6.9.1.10-3= 0.054 (W) + Công suất tiêu thụ của 6 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán, ta chọn 2 IC TL084 để tạo 6 cổng AND. P8IC = 8.PIC = 8. 0,68 = 5.12 (W) + Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Thyristor: Px= 6.Uđk.Iđk=6.3.0,1 = 1,8 (W). + Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN =Pđp+ P8IC+Px PN = 0,056 + 5,12 + 1,8 = 6,976 (W) + Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05. (Pdp + PN) = 1,05. (0,054 + 6,976) = 7,38 (VA) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 =S6.U2 =7,386.9=0.137 (A) + Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I2 =S3.U1 =7,383.220=0.0112 (A) + Tiết diện trụ của MBA được tính theo công thức kinh nghiệm: QT = kQ.Sm.f = 6.7,383.50 =1,33 (cm2) Trong đó: kQ= 6 là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m=3 là số trụ của MBA. f = 50 Hz là tần số điện áp lưới. Ta chọn lõi thép hình chữ E, có độ từ cảm B=1T có kích thước như hình vẽ Hình 3. 16 Lõi thép chữ E Chuẩn hóa thiết diện trụ ta có: Qfe = 1,63 cm2 Kích thước mạch từ lá thép dày δ=0,5 mm Số lượng lá thép: 68 lá ; a = 12 mm ; b = 16 mm ; h = 30 mm. Hệ số ép chặt ke = 0,85. + Chọn mật độ từ cảm B = 1 T ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: W1= U14.44f.B.Qfe = 2204,44.50.1.1,63.10-4 = 6080 (vòng) + Chọn mật độ dòng điện J1=J2 = 2.75 A/mm2 + Ta có tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= S 3.U1.J1 = 7.833.220.2,75 = 0.0043 (mm3) + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1= 4S1π =4.0,00433,14=0.074 mm + Chọn d1 = 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. + Đường kính có thể cách điện: dlcd = 0,12 mm. + Số vòng dây quấn thứ cấp: W2 = W1.U2U1 = 6080. 9220 = 249 (vòng) + Ta có tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = S6.U2.J2 = 7,836.9.2,75 = 0,053 (mm2) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d2= 4S2π =4.0,0533,14=0.26 mm + Chuẩn hóa đường kính: d2 = 0,26 mm. + Đường kính có thể đến cách điện: d2cd = 0,31 mm + Chọn hệ số lấp đầy: kld = 0,7. Với: kld =π4(d1cd.2W1+d2cd.2W1)c.h + Chiều rộng cửa sổ: c =π4(d1cd.2W1+d2cd.2W1)kld.h=2.π4(0,122. 6080 + 0,312. 249)0,7.30=8,3 mm Chọn c = 12 mm. + Chiều dài mạch từ: L = 2c + 3a = 2.12 +3.12 = 60 mm + Chiều cao mạch từ: H = 2a + h =2.12 + 30 = 54 mm Chọn các diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: + Dòng điện hiệu dụng qua diode: IDhd = I22 = 0,1372 = 0,099 (A) + Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: UNmax = 6 .U2= 6. 9 = 22 (V) + Chọn diode có dòng định mức: Iđm ≥ Ki.IDhd = 10.0,099 = 1 (A) (Ki = 10_hệ số dự trữ dòng điện) + Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất: UDng-max = Ku. Ung-max = 2.22 = 44 (V) (Ku = 2 hệ số dự trữ điện áp) Chọn diode loại: KII208A có các thông số sau: + Dòng điện định mức: Iđm = 1,5 A. + Điện áp ngược cực đại của diode: UN = 100 V. CHẠY MÔ PHỎNG MẠCH Hình 3.17 Hình mô phỏng Dạng điện áp của các khâu trong mạch Ua Ub Uc và Uđk Khi Uđk= -11v Ta thấy Uđk không cắt Uc nên Ud có dạng đường thẳng Khi Uđk= -3v Khi Uđk= -5v Ta thấy khi thay đổi Uđk thì góc mở α cũng thay đổi