Đồ án Ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện một chiều

Chöông I : DAÃN NHAÄP ÑAËT VAÁN ÑEÀ GIÔÙI HAÏN VAÁN ÑEÀ MUÏC ÑÍCH NGHIEÂN CÖÙU THEÅ THÖÙC NGHIEÂN CÖÙU PHAÂN TÍCH COÂNG TRÌNH LIEÂN HEÄ I/ ÑAËT VAÁN ÑEÀ : Trong giai ñoaïn coâng nghieäp hoùa hieän ñaïi hoùa neàn kinh teá cuûa ñaát nöôùc chuùng ta caàn söû duïng nhieàu thieát bò baùn daãn coâng suaát ñöôïc ñöa vaøo trong caùc maïch ñieàu khieån ñeå taïo neân söï thay ñoåi saâu saéc vaø vöôït baäc trong lónh vöïc saûn xuaát vaø trong vieäc phuïc vuï ñôøi soáng sinh hoaït haøng ngaøy. Theo ñoù laø söï buøng noå cuûa khoa hoïc kyõ thuaät ñieàu naøy keùo theo söï phaùt trieån vaø hoaøn thieän cuûa caùc triac, diod, thyristor, caùc boä bieán ñoåi ñoåi ñieän ngaøy caøng goïn nheï, ñoä taùc ñoäng cao, deã daøng gheùp noái vôùi caùc vi maïch ñieän töû. Ñeå tieáp thu caùc tieán boä cuûa khoa hoïc kyõ thuaät nhaèm ñaùp öùng yeâu caàu ñoåi môùi coâng ngheä ñeå ñöa töï ñoäng hoùa vaøo saûn xuaát Em xin giôùi thieäu ñeà taøi. “ÖÙng duïng ñieän töû coâng suaát vaø ñieàu khieån laäp trình PLC trong ñieàu khieån ñoäng cô ñieän moät chieàu”. II/ GIÔÙI HAÏN VAÁN ÑEÀ : Ñeà taøi öùng duïng ñieän töû coâng suaát vaø ñieàu khieån laäp trình PLC trong ñieàu khieån ñoäng cô ñieän moät chieàu laø moät ñeà taøi roäng muoán tìm hieåu saâu roäng caùc linh kieän baùn daãn, caùc phöông phaùp öùng duïng ñoøi hoûi maát nhieàu thôøi gian vì thôøi gian laøm ñoà aùn coù haïn neân ñeà taøi ñöôïc giôùi haïn nhö sau : Giôùi thieäu linh kieän baùn daãn (ñieän töû coâng suaát) ÖÙng duïng ñieän töû coâng suaát trong ñieàu khieån ñoäng cô moät chieàu Giôùi thieäu PLC vaø öùng duïng cuûa boä ñieàu khieån laäp trình PLC Khaûo saùt nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa moät soá maïch cuï theå III/ MUÏC ÑÍCH NGHIEÂN CÖÙU : Vôùi chuû tröông cuûa Ñaûng ñeà ra ñeå naâng cao ñôøi soáng laø “coâng nghieäp hoùa hieän ñaïi hoùa ñaát nöôùc” cuøng vôùi vieäc môû cöûa ñaát nöôùc nhieàu xí nghieäp ñaõ ñöa vaøo daây chuyeàn saûn xuaát vôùi maùy moùc hieän ñaïi nhaèm ñaùp öùng yeâu caàu ñoåi môùi coâng ngheä. Trong ñoù söû duïng nhieàu ñieän töû coâng suaát, muoán tieáp caän vaø söû duïng thaønh thaïo caùc phöông tieän kyõ thuaät hieän ñaïi, moãi caùn boä kyõ thuaät caàn coù hieåu bieát cô baûn veà kyõ thuaät ñieän töû noùi chung, ñieän töû coâng suaát vaø ñieàu khieån laäp trình PLC noùi rieâng. Ñeà taøi nhaèm cung caáp nhöõng kieán thöùc cô baûn veà moät soá linh kieän ñieän töû vaø moät soá öùng duïng thöïc teá cuûa ñieän töû coâng suaát vaø öùng duïng ñieàu khieån laäp trình trong ñieàu khieån ñoäng cô ñieän moät chieàu. IV/ THEÅ THÖÙC NGHIEÂN CÖÙU : Ñeå vieäc nghieân cöùu coù hieäu quaû cao, coù tính khoa hoïc. Ñoà aùn ñöôïc chia laøm 3 giai ñoaïn trong thôøi gian 8 tuaàn nhö sau : Giai ñoaïn 1 : 1 tuaàn - Tìm hieåu ñeà taøi vaø soaïn ñeà cöông Giai ñoaïn 2 : 3 tuaàn - Thu thaäp taøi lieäu döõ kieän Giai ñoaïn 3 : 4 tuaàn - Vieát ñoà aùn Chöông 2 : CÔ SÔÛ LYÙ LUAÄN GIÔÙI THIEÄU MOÄT SOÁ LINH KIEÄN BAÙN DAÃN COÂNG SUAÁT. DIODE COÂNG SUAÁT TRANSISTOR COÂNG SUAÁT THYRISTOR TRIAC OP AMP A/ DIOD COÂNG SUAÁT: Caáu taïo Diode Diode coâng suaát hình thaønh töø hai chaát baùn daãn P vaø N gheùp laïi vôùi nhau taïo lôùp chuyeån tieát P-N Caùc ñieän töï do trong baùn daãn N seõ lieân keát vôùi caùc loã troáng töï do cuûa chaát baùn daãn P. Do ñoù lôùp N seõ mang ñieän tích döông ñöôïc noái vôùi ñieän cöïc catot (K) coøn lôùp P mang ñieän tích aâm ñöôïc noái vôùi ñieän cöïc anot (A) lôùp chuyeån tieáp P – N coù haøng raøo ñieän theá vaøo khoaûng 0,6¸ 0,7v khi coù doøng ñieän ñònh möùc. Khi ta ñaët moät ñieän aùp ngöôïc laïi caùc ñieän töû töï do vaø loã troáng seõ bò ñaåy ra xa lôùp chuyeån tieáp, keát quaû chæ coù doøng roø vaøi mA chaïy qua chuyeån tieáp P-N coi nhö khoâng ñaùng keå nhö vaäy Diode coù tính daãn doøng ñieän theo moät chieàu Diode coâng suaát ñöôïc caáu taïo nhö hình 1-1 a) Hình 1-1 Caáu truùc beân trong cuûa Diode Kyù hieäu cuûa Diode Hình daïng beân ngoaøi cuûa Diode Ñaëc tính cuûa diode Khi Diode ñöôïc ñaët moät ñieän aùp VAk = const Tröôøng hôïp naøy UAK ngöôïc chieàu vôùi UTX (ñieän aùp tieáp xuùc). Do ñoù haøng raøo ñieän theá giaûm xuoáng hoaëc maát ñi ñieàu ñoù laøm doøng ñieän khuyeách taùn (IKT) taêng leân maø doøng ñieän ngöôïc (Ing) vaãn baèng doøng ñieän baõo hoøa (Is). doøng ñieän ñi qua moái noái P- N seõ phuï thuoäc vaøo ñieän aùp UAK Theo coâng thöùc : IS : Doøng ñieän baõo hoøa T: Nhieät ñoä tuyeät ñoái T=2730K + nhieät ñoä Diode 0C UAK : ñieän aùp ngoaøi ñaët vaøo Diode trong tröôøng hôïp naøy I vaø UAK laø doøng ñieän vaø ñieän aùp thuaän Diode trong tröôøng hôïp naøy goïi laø Diode phaân cöïc thuaän Hình 1-2 : Ñaëc tính cuûa Diode Khi Diode ñöôïc ñaët moät ñieän aùp UAK<0 Tröôøng hôïp naøy ñieän aùp VAK cuøng chieàu vôùi ñieän aùp Utx haøng raøo ñieän theá taêng leân, haøng raøo naøy ñaåy caùc haït mang ñieän ña soá ra xa maët tieáp xuùc ñieàu naøy taïo ra moät lôùp caùch ñieän ñoái vôùi haït mang ñieän ña soá vaø caûn trôû hoaøn toaøn doøng ñieän khuyeách taùn Ta coù ñaëc tính nhö hình 1-3 Hình 1-3 Töø hai ñaëc tính treân ta toång hôïp laïi ta coù ñaëc tính Volt – Ampe cuûa Diode nhö hình 2-3 Ñieän aùp ñaùnh thuûng Doøng roø VD Ñieän aùp rôi Hình 1-4 Theo hình 1-4. Neáu ñaët vaøo P (anot) moät ñieän aùp döông so vôùi (N) catoát seõ coù doøng ñieän chaïy qua vaø taïo neân ñieän aùp khoaûng 0,6v khi doøng ñieän ñònh möùc + Khi phaân cöïc thuaän thì doøng ñieän qua Diode theo coâng thöùc ta coù : q = 1.6 10-19 T= nhieät ñoä tuyeät ñoái (0K) K= haèng soá boltz man k=1,38 , k= 1,38 10-23 J/ 0K + Khi phaân cöïc ngöôïc ID » Is (Is : doøng ñieän baõo hoøa nghòch) Neáu ñaët ñieän aùp ngöôïc caùc ñieän trôû töï do vaø caùc loã troáng bò ñaåy xa lôùp chuyeån tieáp keát quaû chæ coù doøng roø vaøo khoaûng vaøi mA coù theå chaïy qua khi taêng tieáp tuïc ñieän aùp ngöôïc caùc ñieän tích gaây neân va chaïm daây chuyeàn laøm haøng raøo ñieän theá bò choïc thuûng. Keát quaû Diode maát tính daãn ñieän theo moät chieàu khi ñieän aùp ngöôïc vöôït quaù. 3. Caùc thoâng soá cô baûn cuûa diode Doøng ñieän ñònh möùc : doøng ñieän cöïc ñaïi cho pheùp ñi qua diode trong moät thôøi gian daøi khi diode môû (ID) Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi : Ungmax laø ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi cho pheùp ñaët vaøo Diode trong moät thôøi gian daøi khi Diode khoùa. Ñieän aùp rôi ñònh möùc Du laø ñieän aùp rôi treân Diode khi Diode môû vaø doøng qua Diode baèng doøng thuaän ñònh möùc Thôøi gian phuïc hoài tính khoùa tk laø thôøi gian caàn thieát ñeå Diode chuyeån töø traïng thaùi môû sang traïng thaùi khoùa. 4. Caùc öùng duïng cuûa diode coâng suaát 4.1. Duøng cho boä chuyeån maïch cho thieát bò chænh löu Hình 1-5 Chænh löu hai nöõa chu kyø cho 1 pha V1 = Vm Sinwt V2 = -Vm Sinwt Maïch chænh löu 3 pha V1 = Vm Sinwt V2 = Vm (Sinwt - 2p/3) V3 = Vm (Sinwt - 4p/3) Hình 1 –6 Maïch nhaân ñoâi ñieän aùp Hình 1-7 Maïch chænh löu caàu Hình 1-8 4.2: Duøng baûo veä transistor Hình 1 - 9 B. TRAN SISTOR COÂNG SUAÁT : Caáu taïo : Transistor laø töø gheùp cuûa hai töø tranfer vaø resistor Transistor laø linh kieän baùn daãn coù caáu taïo goàm ba lôùp baùn daãn PNP hoaëc NPN gheùp vôùi nhau nhö hình P N B P Hình 2-1 C E a: Caáu truùc loaïi PNP b. Kyù hieäu loaïi PNP E C N P B N a: Caáu truùc loaïi NPN b. Kyù hieäu loaïi NPN Hình 2-2 Lôùp giöõa ñöôïc goïi laø cöïc goác (base) kyù hieäu laø B moät lôùp beân goïi laø cöïc phaùt (emitter) kyù hieäu laø E Coøn lôùp khaùc goïi laø lôùp goùp (collector) kyù hieäu laø C lôùp phaùt (E) coù cöôøng ñoä taïp chaát lôùn nhaát, lôùp goác (B) coù noàng ñoä taïp chaát beù nhaát. Ñeå phaân bieät vôùi caùc loaïi transistor PNP vaø NPN coøn ñöôïc goïi laø Transistor löôõng noái vieát BJT (Bipolar Juntion Transistor). Nguyeân lyù hoaït ñoäng : Trong ñieän töû coâng suaát ngöôøi ta duøng phoå bieán nhaát loaïi NPN. Transistor coâng suaát ñöôïc duøng ñeå ñoùng ngaét doøng ñieän moät chieàu cöôøng ñoä töông ñoái lôùn vì vaäy chuùng chæ laøm vieäc ôû hai traïng thaùi ñoùng vaø traïng thaùi môû. Ñeå Transistor laøm vieäc ngöôøi ta phaûi ñöa ñieän aùp moät chieàu tôùi caùc cöïc B cuûa Transistor goïi laø phaân cöïc cho Transistor IB=IBbh 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO 3 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO IC 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax Icbh N IB=IB0 Dc 2 M 1 Ib=0 Ecc UCEbh UCEO UCE Ta xeùt sô ñoà maïch nhö hình 2-3 N P N b a Hình 2 - 3 Trong sô ñoà treân ta coù theå xem doøng ñieän goác IB laø doøng ñieàu khieån, doøng ñieän cöïc goùp Ic laø doøng ñoäng löïc Transistor coù hai mieàn tieáp giaùp Mieàn tieáp giaùp giöõa emitter vaø mieàn Bazo goïi laø tieáp giaùp emitor kyù hieäu JE – collector vaø bazô ® Jc Khi ñieän aùp uBE>0 vaø uEC>0 lôùp gheùp JE ñöôïc phaân cöïc thuaän tieáp giaùp Jc ñöôïc phaân cöïc ngöôïc. Do ñoù caùc ñieän töû töï do deã daøng chuyeån dòch qua JE töø E sang B ñeán maët tieáp giaùp Jc ñeán daõy ñieän töû gia toác bôûi ñieän tröôøng ngöôïc ECB vaø deã daøng ñi qua Jc ñeán C. Doøng ñieän töû naøy taïo neân doøng ñieän cöïc goùp Ic. Moät soá ít ñieän töû töï do töø E sang B taùi hôïp vôùi caùc loã trong vuøng B ñeå caân baèng ñieän tích, lôùp B phaûi laáy caùc loã môùi töø nguoàn EB baèng soá ñieän töû taùi hôïp. Nhö vaäy ta goïi doøng ñieän taïo ra bôûi caùc ñieän töû töï do ñi töø E sang B laø doøng ñieän phaùt IE thì ta coù: IE = IC + IB Trong ñoù IB<<Ic vaø tyû soá b=IC/ IB ñöôïc goïi laø heä soá khuyeách ñaïi doøng ñieän tónh cuûa transistor thöôøng B coù giaù trò vaøi truïc ñeán vaøi traêm söï chuyeån dòch cuûa caùc haït mang ñieän ña soá treân ñaây coøn toàn taïi doøng chuyeån dòch cuûa caùc haït thieåu soá töø lôùp C qua B ñeán E. doøng chuyeån dòch naøy taïo neân doøng ñieän ngöôïc ICE0 töø ñoù ta coù IC = bIB + ICEO Ñaëc tính Volt – Ampe cuûa Transistor laø ta xeùt ñeán quan heä cuûa ñieän aùp UCE vaø doøng ñieän khi IB khoâng ñoåi. Töø hình 2 –3 b ta thaáy ñaëc tính Volt – Ampe cuûa transistor qua 3 ñöôøng cong 1); 2); 3). Ñöôøng bieåu dieãn quan heä UCE vaø IC laø ñöôøng thaúng Dc treân ñoà thò (hình 2-3b). Caùc ñieåm caét cuûa Dc vôùi caùc ñöôøng cong (1) ; (2) ; (3) chính laø ñieåm laøm vieäc cuûa Transistor. Khi doøng ñieän IB caøng taêng thì ñieåm laøm vieäc caøng gaàn ñeán ñieåm uoán Khi IB taêng ñeán giaù trò naøo ñoù thì ñieåm laøm vieäc truøng vôùi ñieåm uoán vaø Ic khoâng taêng leân nöõa ta noùi Ic ñaït ñeán giaù trò baõo hoøa Icbh Ñieåm caét M cuûa ñöôøng cong 1) vaø ñöôøng Dc töông öùng vôùi IC = 0 ñöôïc goïi laø ñieåm khoùa coøn ñieåm N töông öùng vôùi IB = IBbh ñöôïc goïi laø ñieåm môû baõo hoøa Khi transistor laøm vieäc ôû ñieåm M Thì IB = 0 Ic 0 Transistor khoùa Khi Transistor laøm vieäc ôû ñieåm N IB = IBbh transistor baõo hoøa Trong thôøi gian chuyeån maïch Transistor ôû cheá ñoä xung ôû hai traïng thaùi ngaét vaø daãn doøng ñieän vaø ñieän aùp töùc thôøi phaûi naèm trong dieän tích an toaøn theo thang ño logarit nhö hình veõ: 100 200 50 50 10 VCE IC(A) 100ms 10ms 1ms 100mS 10mS Hình 2 - 4 Vì thôøi gian chuyeån maïch cuûa Transistor töø 1¸ 2 mS thôøi gian chuyeån maïch cuûa Transistor nhanh hôn thôøi gian chuyeån maïch cuûa Thyristor. Vaán ñeà ñieàu khieån transistor naëng neà hôn thyristor. Khaû naêng quaù taûi cuûa Transistor keùm hôn Thyristor : öu ñieåm noåi baät cuûa transistor laø chæ caàn ñieàu khieån doøng IB laø coù theå ñieàu khieån cho transistor coù theå ngaét daãn deã daøng Toån hao coâng suaát cuûa transistor baèng tích cuûa ñieän aùp cöïc goùp vaø cöïc phaùt vôùi doøng ñieän cöïc goùp Pts= VCE. IC Caùch thöùc ñieàu khieån transistor Goïi IC laø doøng collector chòu ñöôïc ñieän aùp baõo hoøa VCESat khi transistor daãn doøng baõo hoøa IB = IBbh vaø khi khoùa IB = 0 VCEsat = VCE Maïch trôû giuùp transistor môû Khi transistor töø traïng thaùi ñoùng sang traïng thaùi môû maïch trôï giuùp goàm caùc phaàn töû tuï ñieän (C), ñieän trôû (R2), Diod (D2) VCC VC t i1 t iD I tf b VCE a I t Hình 2 -5 tf : laø thôøi gian caàn thieát ñeå IC töø giaù trò max giaûm xuoáng 0 Doøng ñieän taûi laø I maø thôøi gian chuyeån maïch cuûa Transistor raát ngaén vaäy cho neân doøng taûi = const VCE = VCESat = 0 IC = I ID = 0 Khi cho xung aùp aâm taùc ñoäng vaøo cöïc goác (base) cuûa transistor doøng IC giaûm xuoáng ñeán 0 trong khoaûng thôøi gian tf. Vaäy cho neân I = IC + ID = const Khi giaûm Ic thì ID taêng leân ngang D1 seõ laøm ngaén maïch taûi naêng löôïng tieâu taùn beân trong Transistor seõ laø. Chính vì vaäy ta phaûi maéc theâm maïch trôï giuùp môû cho Transistor I= IC ID = const Khi IC baét ñaàu giaûm xuoáng thì I1 cuõng baét ñaàu taêng (IC vaø I1 phi tuyeán tính vôùi nhau luùc naøy tuï ñieän C ñöôïc naïp ñieän) Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE << VCC Sau thôøi gian tf tuï C ñöôïc naïp baèng doøng I Cho ñeán khi Vc = VCE luùc naøy D1 noù cho doøng chaïy qua thôøi gian toång coäng cuûa quaù trình chuyeån sang traïng thaùi môû laø tc (tc). Ñieän dung ñöôïc tính gaàn ñuùng baèng coâng thöùc Trong thöïc teá ngöôøi ta choïn C trong khoaûng 2tf £ tc £ 5tf Maïch trôï giuùp ñoùng transistor Khi transistor töø traïng thaùi môû sang traïng thaùi ñoùng maïch trôï giuùp ñoùng cöûa transistor goàm caùc phaàn töû cuoän caûm (L), diode (D3), ñieän trôû (R3) coù chöùc naêng haïn cheá söï taêng voït cuûa doøng IC trong khoaûng thôøi gian ñoùng (Ton) cuûa transistor. Ton : laø thôøi gian caàn thieát ñeå VCE töø ñieän aùp nguoàn VCC giaûm xuoáng VCE »0 Sô ñoà nhö hình 2 – 6 Hình 2 -6 Thôøi gian toång coäng cho quaù trình ñoùng laø tr Ñieän caûm (L) ñöôïc tính theo bieåu thöùc Ñeå choïn L ta choïn thôøi gian ñoùng tr trong khoaûng 2ton < tr < 5ton Ñieän trôû R3 coù taùc duïng haïn cheá doøng do söùc ñieän ñoäng töï caûm trong cuoän caûm (L) taïo ra trong maïch L1; D3; R3 trong khoaûng thôøi gian tc chuyeån sang traïng thaùi môû cuûa transistor. Nhö vaäy tc phaûi thoûa maõn ñieàu kieän Ñieän trôû R2 coù taùc duïng haïn cheá doøng ñieän phoùng cuûa tuï ñieän C trong maïch trong khoaûng thôøi gian ñoùng tr Ta coù : D5 : taïo maïch ñoái vôùi xung aùp döông ñaët vaøo cöïc goác base D6 : haïn cheá doøng ñieàu khieån cho cöïc goác (base) D4 : laø choáng baõo hoøa ÖÙng duïng cuûa transistor coâng suaát Maïch khuyeách ñaïi Hình 2-7 Trong thöïc teá transistor coâng suaát thöôøng ñöôïc laøm vieäc ôû cheá ñoä khoùa Khi doøng ôû cöïc goác baèng khoâng doøng ñieän cöïc goùp baèng khoâng transistor luùc naøy hôû maïch hoaøn toaøn Khi doøng ñieän ôû cöïc goác coù giaù trò baõo hoøa thì transistor trôû veà traïng thaùi daãn hoaøn toaøn hai traïng thaùi ngaét vaø daãn cuûa transistor ñöôïc minh hoïa qua hình 2- 8 Traïng thaùi daãn baõo hoøa Is lôùn, Ic phuï thuoäc taûi Traïng thaùi ngaét Is=0 Ic Vce a b Hình 2 - 8 Caùc thoâng soá kyõ thuaät cô baûn cuûa transistor Ñoä khuyeách ñaïi doøng ñieän b transistor coù b coù trò soá thay ñoåi theo doøng Ic Hình 2-9 cho thaáy khi doøng Ic nhoû thì b thaáp doøng Ic taêng thì b taêng ñeán giaù trò cöïc ñaïi neáu tieáp tuïc taêng Ic ñeán möùc baõo hoøa thì b bò giaûm b bmax Ic Hình 2 -9 Ñieän theá giôùi haïn Ñieän theá ñaùng thuûng BV (breakdown Voltage) laø ñieän theá ngöôïc toái ña vaøo giöõa caùc caëp cöïc Doøng ñieän giôùi haïn Doøng ñieän qua transistor phaûi ñöôïc giôùi haïn ôû möùc cho pheùp neáu quaù trò soá thò transistor bò hö ICmax : laø doøng ñieän toái ña ôû cöïc collector. () IBmax : laø doøng ñieän ñoái ña ôû cöïc base (goác) Coâng suaát giôùi haïn Khi coù doøng ñieän qua transistor seõ sinh ra moät coâng suaát nhieät laøm noùng transistor Coâng suaát sinh ra ñöôïc tính theo coâng thöùc Pt = Ic – VCE Taàn soá caét Taàn soá thieát ñoaïn (f cut-off) laø taàn soá maø transistor heát khaû naêng khuyeách ñaïi luùc ñoù ñieän theá ngoõ ra baèng vôùi ñieän theá ngoõ vaøo C- THYRISTOR Caáu taïo Thyristor coøn ñöôïc goïi laø SCR (Silicon controlled Rectifier) boä naén ñieän ñöôïc ñieàu khieån baèng chaát silicium G J3 J2 J1 Thyristor laø linh kieän baùn daãn goàm 4 lôùp P – N – P – N gheùp noái tieáp taïo neân ba cöïc anode kyù hieäu A döông cöïc. Catode kyù hieäu K aâm cöïc vaø cöïc gate kyù hieäu G laø cöïc khieån hay cöûa J1, J2, J3 laø caùc maët gheùp A p N p N K a Hình 3 - 1 Sô ñoà caáu truùc beân trong Kyù hieäu Caùc loaïi thyristor Nguyeân lyù laøm vieäc Ñeå nghieân cöùu söï laøm vieäc cuûa thyristor ta xeùt tröôøng hôïp Thyristor phaân cöïc ngöôïc J2 J3 E A p N p N K J1 Ec Ñieän aùp ngöôïc Ucd ia IG=0 E E A B C D Doøng aùp ngöôïc Hình 3 -2 Trong tröôøng hôïp naøy cöïc döông cuûa nguoàn E noái vôùi catoát, cöïc aâm cuûa nguoàn E noái vôùi anot thyristor phaân cöïc ngöôïc. Do ñoù noái tieáp giaùp J2 chòu toaøn boä ñieän aùp nguoàn E ñaët vaøo J2 ñieän tröôøng ngöôïc Ec. Ñieän tröôøng ngöôïc naøy ngaên caûn söï chuyeån dòch J2 cuûa caùc haït mang ñieän ña soá (loã troáng) neân doøng ñieän ñi qua anoát raát beù chæ vaøi mA Maëc duø ñieän tröôøng ngöôïc EC naøy gia toác cho caùc haït mang ñieän thieåu soá (ñieän töû) ñi qua J2. Do ñoù nguoàn E taêng ñeán trò soá ucñ naøo ñoù khoaûng töø 100-3000v, tuøy loaïi thyristor. Khi naøo nguoàn E taêng quaù trò soá ucñ treân ñöôøng ñaëc tính cuûa thyristor thì caùc nguyeân töû trong lôùp gheùp J2 bò phaù vôõ lôùp gheùp J1 vaø J3 cuõng bò phaù vôõ luùc naøy doøng ñieän ngöôïc taêng leân moät caùch nhaûy voït ñieàu ñoù laøm hoûng thyristor ta coù daïng ñaëc tính voân ampe cuûa thyristor Asene I = f(E) Thyristor phaân cöïc thuaän p J2 J3 E A P2 N2 P1 N1 K J1 Ec UGK Ia Hình 3 - 3 Trong tröôøng hôïp naøy döôùi taùc duïng Ec maët gheùp J1, J3 ñöôïc phaân cöïc thuaän ñieän tröôøng Ec naøy ngaên caûn söï chuyeån dôøi cuûa loã troáng khi chöa coù ñieän aùp uGK thì noàng ñoä caùc ñieän töû töï do trong lôùp P2 raát beù. Khio coù UGK > 0 thì vì UGK laø ñieän aùp thuaän ñoái vôùi J3 vì noàng ñoä ñieän töû töï do raát lôùn ôû lôùp catot N3 cho neân soá löôïng lôùn ñieän töû chuyeån dòch töø N2 sang P2 Khi UGK vaø IG caøng lôùn thì soá ñieän töï do ñi qua J2 caøng nhieàu haøng raøo ñieän theá treân J2 caøng giaûm vaø ñieän aùp E caàn thieát ñeå gaây ra hieän töôïng daãn ñieän aøo aït ôû maët gheùp J2 caøng beù. Khi Ia lôùn hôn trò soá IL naøo ñoù (töông öùng vôùi soá ñieän töû töï do ñuû ñeå hieän töôïng daãn ñieän aøo aït lan roäng ra khaép maët J2). Thì neáu taét doøng ñieän ñieàu khieån IG hoaëc ñieän aùp uGK thyristor vaãn tieáp tuïc môû trò soá IL ñöôïc goïi laø doøng ñieän anot khôûi ñoäng Thoâng thöôøng IL = 10-3Iñm Trong ñoù Iñm : laø doøng ñieän ñònh möùc cuûa thyristor Thyristor chæ khoùa laïi khi Ia nhoû hôn trò soá IH IH : laø doøng ñieän duy trò hoaëc UGK < 0 Vì khi Ia giaûm xuoáng thì soá ñieän töû töï do qua maët gheùp J2 giaûm ñieàu ñoù laøm phaàn daãn ñieän cuûa maët gheùp J2 bò co laïi phaàn khoâng coøn daãn ñieän seõ phuïc hoài tính khoùa khi Ia< IH toaøn boä maët gheùp J2 ñöôïc phuïc hoài tính khoùa vaø thyristor khoùa laïi Trong thöïc teá IH raát beù do ñoù coù theå xem thyristor bò khoùa laïi khi I =0 Töø nhöõng lyù luaän treân ñaây ta coù ñaëc tính Volt-Ampe Ia = f E, IG ¹ 0 E Uct Ia IG1 Uct I2 Ia E Hình 3 - 4 Hình 2- 2. Ñaëc tính volt ampe cuûa thyristor ôû traïng thaùng môû Þ töø hai traïng thaùi phaân cöïc thuaän phaân cöïc ngöôïc cuûa thyristor ta coù Môû baèng ñieän aùp thuaän Traïng thaùi daãn Traïng thaùi khôûi ñoäng Traïng thaùi khoùa Doøng ñieän duy trì IH E=u ia Hình 3 - 5 Hình 3 - 5 môû thyristor baèng ñieän aùp thuaän Môû baèng doøng ñieän ñieàu khieån IG Khi 0< E £ Ucd Taïi soá Ia coù UGK caàn thieát ñeå môû thyristor phuï thuoäc vaøo E, nhieät ñoä thyristor vaø loaïi thyristor Traïng thaùi daãn Ig3>Ig2>Ig1 Traïng thaùi bò khoùa Ig=0 IH U Hình 3-7 Hình 3 - 6 Hình 3 - 6 Môû thyristor baèng doøng ñieän ñieàu khieån Coâng suaát chuyeån maïch cuûa thyristor - Coâng suaát chuyeån maïch (Pc)vaø naêng löôïng chuyeån maïch (Wc) laø coâng suaát vaø naêng löôïng tieâu tan trong thyristor trong quaù trình chuyeån töø traïng thaùi khoùa sang traïng thaùi môû. Khi xem gaàn ñuùng E vaø Ia bieán thieân moät caùch ñöôøng thaúng theo thôøi gian (xem hình 3-7) vôùi ñoä doác a=1/tr Tr : thôøi gian taêng doøng cöïc anoát vaø choïn t1 laøm thôøi ñieåm goác thì trong khoaûng thôøi gian t1 ¸ t2 Ta coù : E = u0(1-at) Ia_= Ia max .a.t Coâng suaát chuyeån maïch töùc thôøi laø Pc = E.Ia = u0Iamax(at – a2t2) Coâng suaát naøy seõ ñaït taïi soá cöïc ñaïi khi Vaø t = 1/ 2a naêng löôïng chuyeån maïch Khi thay trong bieán thöùc naøy a=1/tr ta ñöôïc : Neáu thyristor coù taàn soá ñoùng môû laø f thì trong moât giaây thyristor coù f laàn chuyeån maïch tieâu phí moät naêng löôïng chuyeån maïch ÖÙng duïng cuûa thyristor ÖÙng duïng thyristor trong ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô ñieän moät chieàu Sô ñoà maïch nhö hình 3-8 Hình 3 - 8 M: laø ñoäng cô chaïy ñieän moät chieàu Doøng ñieän qua ñoäng cô chæ laø doøng ñieän ôû baùn kyø döông vaø ñöôïc thay ñoåi trò soá baèng caùch thay ñoåi goùc kích cuûa doøng ñieän IG khi SCR chöa daãn thì khoâng coù doøng ñieän qua ñoäng cô diode daãn daãn ñieän naïp vaøo tuï qua ñieän ñieän trôû R1 vaøbieán trôû VR ñieän theá caáp cho cöïc G laáy treân tuï C vaø qua caàu phaân theá R2, R3 Giaû söû ñieän theá ñuû ñeå kích cho cöïc G laø VG = 1v vaø doøng ñieän kích IGm=1mA thì ñieän theá treân tuï phaûi 10v tuï naïp ñieän Qua R vaø VR vôùi haèng soá thôøi gian laø t = C(R1 + VR) Khi thay ñoåi trò soá VR seõ laøm thay ñoåi thôøi gian naïp cho tuï töùc laø thay ñoåi thôøi ñieåm coù doøng xung kích IG seõ laøm thay ñoåi thôøi ñieåm daãn ñieän cuûa SCR töùc laø thay ñoåi doøng ñieän qua ñoäng cô vaø laøm cho toác ñoä ñoäng cô bò thay ñoåi Khi nguoàn AC coù baùn kyø aâm thì diode D vaø thyristor ñeàu bò phaân cöïc ngöôïc diode ngöng daãn, thyristor cuõng ngöng daãn Maïch chænh löu caàu moät pha Hình 3 - 9 Maïch baùo ñoäng Sô ñoà maïch ñieän hình 3 -10 Hình 3 -10 SCR duøng vôùi nguoàn 1 chieàu thì coù theå öùng duïng trong maïch baùo ñoäng khi quaù nhieät, quaù aùp suaát, thì nuùt nhaán M bò nhaán, SCR seõ ñöôïc kích daãn ñieän vaø duy trì traïng thaùi daãn ñeå caáp ñieän cho ñeøn chaùy vaø coøi baùo. Caùc thoâng soá chuû yeáu cuûa thyristor Trò soá hieän duïng ñònh möùc cuûa doøng ñieän anot Iahd ñoù laø trò soá hieän duïng cuûa doøng ñieän cöïc ñaïi cho pheùp ñi qua thyristor trong moät thôøi gian daøi khi thyristor môû khi khi thyristor daãn ñieän thì VAK = 0,7v neân duøng ñieän thuaän qua SCR coù theå tính theo coâng thöùc RL : taûi thuaàn trôû VCC : ñieän aùp qua thyristor Doøng ñieän ñieàu khieån kích môû IGT laø doøng ñieän ñieàu khieån IG gaây môû thyristor Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi ungmax laø ñieän aùp giöõa 2 cöïc A vaø K cho pheùp ñaët cuûa thyristor Ñieän aùp rôi ñònh möùc Dua laø ñieän aùp giöõa cöïc A vaø K khi thyristor môû vaø doøng ñieän baèng doøng ñieän ñònh möùc Thôøi gian phuïc hoài tính khoùa laø thôøi gian toái thieåu caàn thieát ñeå thyristor phuïc hoài tính khoùa f- Triac (triode alternative current) Caáu taïo Triac laø linh kieän baùn daãn töông töï nhö hai thyristor noái song song ngöôïc goàm 2 cöïc vaø chæ coù moät cöïc ñieàu khieån N N N N p p G T1 T2 c) b) a) Sô ñoà hình 4 –1 Hình 4 -1 Caáu truùc beân trong Hình veõ caáu taïo Kyù hieäu Nguyeân lyù laøm vieäc Theo caáu taïo cuûa moät triac ñöôïc xem nhö hai thyristor gheùp song song vaø ngöôïc chieàu neân Khi khaûo saùt ñaëc tính cuûa triac ngöôøi ta khaûo saùt nhö hai thyristor Khi cöïc T2 coù ñieän theá döông vaø cöïc G ñöôïc kích xung döông thì triac daãn ñieän theo chieàu töø T2 qua T1 nhö hình 4-2 Hình 4 - 2 Khi cöïc T2 coù ñieän theá aâm cöïc G ñöôïc kích xung aâm thì triac daãn ñieän theo chieàu töø T1 ® T2 nhö hình 4 – 3 Hình 4 - 3 c- Khi triac ñöôïc duøng trong maïch xoay chieàu coâng nghieäp thì nguoàn coù baùn kyø döông cöïc G caàn ñöôïc kích xung döông khi nguoàn coù baùn kyø aâm cöïc G caàn ñöôïc kích xung aâm triac cho doøng ñieän qua ñöôïc caû 2 chieàu vaø khi ñaõ daãn ñieän thì ñieän theá treân hai cöïc T1, T2 raát nhoû neân ñöôïc coi nhö coâng taéc baùn daãn doøng trong maïch ñieän xoay chieàu nhö hình veõ Hình 4- 4 Ñaëc tính volt – ampe cuûa triac Triac coù ñaëc tính volt-ampe goàm hai phaàn ñoái xöùng nhau qua ñieåm O hai phaàn naøy gioáng nhö ñaëc tuyeán cuûa hai SCR maëc ngöôïc chieàu nhau. T2 aâ m Traïng thaùi daãn Traïng thaùi khoùa I Hình 4 - 5 Triac coù theå môû theo 4 kieåu Môû baèng xung ñieàu khieån uGTr >0 khi Môû baèng xung ñieàu khieån uGTr < 0 khi Môû baèng xung ñieàu khieån Môû baèng xung ñieàu khieån Nhö vaäy triac coù theå môû theo 2 chieàu - Chieàu thuaän töø T2 ñeán T1. Khi vaø taùc duïng vaøo cöïc G moät xung ñieän aùp döông ( ) - Chieàu thuaän töø T1 – T2 . Khi vaø taùc duïng vaøo cöïc G moät xung ñieän aùp aâm ( ) Maïch ñieàu khieån Ñeå ñieàu khieån triac ta coù sô ñoà nhö hình 4-6 Hình 4 - 6 Maïch ñieàu khieån goàm 1 bieán trôû (R) tuï ñieän C, Ñiac D vaø 1 ñieän trôû phuï Rp ñeå giôùi haïn doøng ñieän ñieàu khieån IG, ñieän aùp caáp cho maïch laø ñieän aùp xoay chieàu hình sin Ua = uamsinwt Ñoà thò bieán thieân cuûa ua theo wt nhö ñöôøng cong hình 4 -7 Hình 4 - 7 Giaû thuyeát taïi thôøi ñieåm ban ñaàu (wt=0) tuï ñieän C ñaõ phoùng heát ñieän, vaø ñieän aùp treân noù uc = 0 thì khi ua taêng theo chieàu döông (ua> 0) tuï ñieän C ñöôïc naïp ñeän theo chieàu döông qua ñieän trôû R vaø uc taêng theo chieàu töø a ñeán b ñieän aùp uc taêng theo haøm soá muõ vaø coù toác ñoä taêng phuï thuoäc vaøo R ñieän trôû R caøng nhoû thì doøng ñieän naïp caøng lôùn vaø toác ñoä taêng cuûa uc caøng nhanh ñöôøng cong 2 hình 4-7 bieåu dieãn söï bieán thieân cuûa uc theo wt töông öùng vôùi giaù trò nhaát ñònh cuûa R taïi goùc pha w0 Uc baèng ñeän aùp chuyeån ñoåi Ucñ cuûa diac D. Diac D môû tuï ñieän C phoùng ñieän qua Rp Diac D vaø phaàn giöõa G vaø T1 cuûa triac theo chieàu töø a qua G ñeán T1 ñieàu ñoù taïo ra moät xung doøng ñieän döông IG (ñöôøng cong 3 hình 4-7) vaø môû Triac. Triac tieáp tuïc môû cho ñeán heát nöûa chu kyø döông cuûa ñieän aùp ua taïi goùc pha wt = p ñieän aùp ua giaûm ñeán 0 doøng ñieän qua triac Ia cuõng giaûm ñeán 0 vì taûi thuaàn trôû vaø ua, Ia cuøng pha. Do ñoù triac khoùa laïi sang nöûa chu kyø aâm cuûa ua. Tuï ñieän C ñöôïc naïp ñieän theo chieàu aâm vaø uc taêng theo chieàu töø b ñeán a Taïi goùc pha f1 = f0 + p, ñieän aùp Uc = ucñ diac D môû tuï ñieän C phoùng ñieän qua ñieän trôû Rp chieàu doøng ñieän ñi töø G Diac D, Rp veà a ñieàu ñoù taïo ra moät xung doøng ñieän aâm IG (ñöôøng cong 4 hình 3 -2) vaø môû triac theo chieàu töø T1 ñeán T2 triac tieáp tuïc môû cho ñeán heát chu kyø aâm, trong suoát thôøi gian môû cuûa triac ñieän aùp treân ñieän trôû RT baèng ñieän aùp ua (vì khi triac môû ñieän aùp rôi treân noù raát nhoû). Do ñoù ñieän aùp uR treân Rt bieán thieân theo wt (nhö ñöôøng 5 hình 4-7) töø ñoù ta ruùt ra giaù trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp treân taûi Rt Trong ñoù goùc môû chaäm q0 phuï thuoäc vaøo ñieän trôû R cuûa maïch ñieàu khieån do ñoù baèng caùch thay ñoåi R ta coù theå thay ñoåi q0 vaø thay ñoåi trò soá uR cuûa ñieän aùp treân taûi Rt ÖÙng duïng cuûa Triac Triac ñeå öùng duïng moät soá maïch, ñieàu chænh aùnh saùng ñeøn ñieän, nhieät ñoä loø, ñieàu chænh chieàu quay vaø toác ñoä ñoäng cô moät chieàu Caùc thoâng soá cuûa triac Ñieän aùp ñieän möùc uañm Ñoù laø ñieän aùp cöïc ñaïi cho pheùp ñaët vaøo triac theo chieàu thuaän hoaëc chieàu ngöôïc trong moät thôøi gian daøi Doøng ñieän hieän duïng ñònh möùc Iañm Ñoù laø trò soá hieäu duïng cöïc ñaïi cho pheùp cuûa doøng ñieän ñi qua Triac trong moät thôøi gian daøi Doøng ñieän ñieàu khieån triac Ñoù laø doøng ñieän ñieàu khieån IG ñaûm baûo môû triac Doøng ñieän duy trì IH Ñoù laø trò soá toái thieåu cuûa doøng ñieän anoát ñi qua Triac ñeå duy trì Triac ôû traïng thaùi môû Ñieän aùp rôi ñònh möùc treân Triac Dua Ñoù laø ñieän aùp rôi treân triac khi Triac daãn vaø doøng ñieän qua triac baèng doøng ñieän ñònh möùc OP – AMP Op –amp laø chöõ vieát taét (operational amplifier) laø boä khuyeách ñaïi moät chieàu DC coù heä soá khuyeách ñaïi raát cao thöôøng ñöôïc cheá mtaïo döôùi daïng tích hôïp IC. (Imtergrated, circuit) 1. Caáu taïo vaø kyù hieäu cuûa op – amp nhö hình 5 -1 Hình 5 - 1 Ngoõ vaøo laø taàng khuyeách ñaïi visai tieáp theo laø taàng khuyeách ñaïi trung gian (coù theå laø taàng ñeäm hoaëc khuyeách ñaïi vi sai taàng dòch möùc (DC) 1 chieàu, ñeå ñaët möùc) phaân cöïc 1 chieàu DC ôû ngoõ ra cuoái cuøng laø taàng ñeäm ñeå khuyeách ñaïi doøng vaø coù trôû khaùng raát thaáp taïo tín hieäu baát ñoái xöùng ôû ngoõ ra caùc taàng khuyeách ñaïi ñeàu gheùp tröïc tieáp vôùi nhau Q1 Q2 taïo thaønh maïch khuyeách ñaïi vi sai ôû ngoõ vaøo tín hieäu ra töø cöïc C cuûa Q1 vaø Q2 ñöa ñeán cöïc B cuûa Q3 vaø Q4 caëp naøy taïo thaønh maïch khuyeách ñaïi vi sai thöù hai tín hieäu ra laáy treân cöïc C cuûa Q4 ñöa vaøo cöïc B cuûa Q5. Q5 vaø Q6 taïo thaønh maïch gheùp Darlington ñeå dòch möùc DC (direction current) taêng heä soá khuyeách ñaïi doøng vôùi kieåu maéc C chung ñeå coù trôû khaùng ra thaáp tín hieäu laáy ra treân R4 ñieän trôû phaân cöïc E cuûa Q6, Q7 laønguoàn doøng cho caëp vi sai Q1 vaø Q2 R7, R6, D1 vaø R5 taïo thaønh maïch phaân cöïc vaø oån ñònh nhieät cho Q8 goàm R10, R9, D2 vaø R8 Ñieän aùp ra V0 cuøng daáu vôùi ñieän aùp vaøo treân cöïc B cuûa Q1 vaø khaùc daáu vôùi ñieän aùp vaøo treân cöïc B cuûa Q2 vì vaäy hai ngoõ vaøo naøy theo thöù töï goïi laø ngoõ vaøo khoâng ñaûo vaø ngoõ vaøo ñaûo Hình 5 - 2 : kyù hieäu cuûa op –amp Baõo hoaødöông Heä soákhuyeách ñaïivoøng hôû Baõo hoøa aâm (Vi=Vi+-Vi - Vo -Vs -Vcc +Vs +Vcc Hình 5 –3 : ñaëc tính truyeàn ñaït ñieän aùp voøng hôû Coù 3 vuøng laøm vieäc + Vuøng khuyeách ñaïi naèm trong khoaûng ±Vs + Vuøng baõo hoøa döông V0 = +Vcc DVi > Vs + Vuøng baõo hoøa aâm V0 = -Vcc DVi < -Vs Avf DVi=Vi+-Vi - Vo -Vs -Vcc +Vs +Vcc -Vsf +Vsf Hình 5-4 Ñaëc tính OP – amp khi coù hoài tieáp voøng kín Av0 : Heä soá khuyeách ñaïi voøng hôû Av1 : Heä soá khuyeách ñaïi coù hoài tieáp Caùc maïch öùng duïng cô baûn cuûa op – amp Khuyeách ñaïi ñaûo Tín hieäu ra ñaûo pha vôùi tín hieäu vaøo hình 5-5 Hình 5 - 5 Do RI ®¥ : II » 0 neân Töø ñoù doøng qua R1 laø Ta coù heä soá khuyeách ñaïi Toång trôû vaøo Khuyeách ñaïi khoâng ñaûo hình 5 - 6 Hình 5 -6 Tín hieäu ra ñoàng pha noái tín hieäu vaøo Haøm soá khuyeách ñaïi : Do noäi trôû RI ®¥ II =0 neân doøng qua R1 vaø R2 baèng nhau Maët khaùc coi Þ Toång trôû vaøo : ZI Hình 5 - 7 Vi = DVi + bV0 V0 = AV0 DVi RI : Toång trôû opamp Thay vaøo VI ta coù Maïch ñeäm hình 5 - 8 Hình 5 - 8 Heä soá khuyeách ñaïi vôùi maïch ñieän aùp 100% V0 = Vi do ñoù: Laáy trôû vaøo Zi = Ri(1+Av0) Caùc thoâng soá kyõ thuaät cuûa opamp a- Ñoä lôïi ñieän aùp voøng hôû A0 : laø soá ño ñoä lôïi ñieän aùp giöõa ñaàu vaøo vaø ñaàu ra cuûa boä khuyeách ñaïi thuaät toaùn (opamp) vaø coù theå bieåu dieãn baèng ñôn vò (dB) b-Trôû khaùng vaøo : Zin Ñoù laø soá ño cuûa trôû khaùng nhìn tröïc tieáp töø caùc ñaàu vaøo vaø ñaàu ra cuûa opamp thöôøng bieåu dieãn baèng ñôn vò ñieän trôû Trôû khaùng ra Z0 : laø soá ño trôû khaùng cuûa opamp vaø ñôn vò laø (W)ohm Doøng phaân cöïc ngoõ vaøo Ib Taàn ñeän aùp cung caáp Vcc