Khóa luận Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

ưu việt, nó kết hợp được điểm mạnh của MOSFET đó là khả năng đóng cắt nhanh và được điều khiển dễ dàng, cộng với ưu điểm của BJT là khả năng đóng cắt dòng điện lớn. Nhờ thế IGBT ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần, tạo xung với công suất lớn. Tuy nhiên ở thị trường Việt Nam thì việc tìm IGBT không phải là đơn giản. Đối với các linh kiện công suất thì việc toả nhiệt cho nó là một vấn đề phải được tính đến, do đó ta cần xem xét vấn đề này. 1.2.6. Vấn đề toả nhiệt cho linh kiện công suất Tổn hao công suất được tính bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điện áp rơi trên phần tử biểu hiện dưới dạng nhiệt. Nhiệt lượng toả ra tỷ lệ với giá trị trung bình của tổn hao công suất. Trong quá trình làm việc, nhiệt độ của bản thân cấu trúc bán dẫn phải luôn dưới ở một giá trị cho phép (khoảng 120-1500C theo đặc tính kỹ thuật của phần tử), vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải tiêu tán để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về nhiệt độ và độ bền của linh kiện điện tử. Giang Cao S¬n K46§C 22 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.6.1. Mô hình truyền nhiệt Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhiệt lượng trao đổi PT tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ theo hệ số, gọi là trở kháng truyền nhiệt RT. Theo đó PT = TR TT )( 21 − Trong đó: PT[W]; T[0C]; RT[0C/W] Sự cân bằng nhiệt sảy ra khi nhiệt lượng phát sinh bằng nhiệt lượng toả ra môi trường PTdt=Ad dtBθθ .+ Trong đó: PT: công suất phát nhiệt trên phần tử [w] A: nhiệt lượng riêng, bằng nhiệt lượng làm cho nhiệt độ phần tử thay đổi 10C [J] B: công suất toả ra để nhiệt độ môi trường tăng thêm 10C [J] θ : chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [0C] Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng: PT = A θθ .Bdt d + (*) Giả sử ở thời điểm t=0 chênh lệch nhiệt độ là θ =0, nghiệm của phương trình (*) sẽ là: θ =θ max[1- T t eτ ] Trong đó: θ max = B PT là chênh lệch nhiệt độ lớn nhất đạt được Tτ = B A là hằng số thời gian nhiệt Hình18. Đường cong phát nhiệt Giang Cao S¬n K46§C 23 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Đường cong thay đổi nhiệt độ được thể hiện trên hình 18 ứng với 2 công suất phát nhiệt khác nhau PT1>PT2. Dạng đường cong nhiệt độ như trên hình 18 chỉ đúng cho môi trường đồng nhất, ví dụ một bản nhôm hay đồng. Tuy nhiên phần tử bán dẫn được gắn lên bộ phận toả nhiệt là một môi trường không đồng nhất vì thể tích nhỏ nên khả năng tích nhiệt kém sẽ tăng rất nhanh. Nhiệt lượng từ phần tử truyền ra cánh toả nhiệt, rồi từ đó truyền ra môi trường. Sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử, cánh toả nhiệt, môi trường. Tương ứng giữa các bộ phận giáp nhau sẽ có trở kháng truyền nhiệt khác nhau. Mô hình hệ thống toả nhiệt được mô tả trên hình 19. Hình 19. Mô hình truyền nhiệt Hình 19 cũng thể hiện được nhiệt độ giảm từ phần tử Tj tới vở phần tử TV, tới cánh toả nhiệt Th và tới môi trường Tn. Dòng nhiệt truyền từ cấu trúc bán dẫn ra đến vỏ phần tử, từ vỏ đến cánh toả nhiệt và từ cánh toả nhiệt ra ngoài môi trường. Giữa các môi trường tiếp giáp nhau thì có trở kháng toả nhiệt là: Rth=Rth(j-v) , Rth(v-h), Rth(h-a) Do đó trở kháng toả nhiệt sẽ bằng tổng trở kháng toả nhiệt giữa các vùng tiếp giáp nhau Rth=Rth(j-v) + Rth(v-h) + Rth(h-a). Như vậy, nhiệt độ giả tưởng của cấu trúc bán dẫn sẽ là Tj = Ta+PT.Rth Biểu thức này thường được sử dụng để xác định Rth cần thiết khi biết nhiệt độ giới hạn Tj của phần tử, nhiệt độ làm việc của môi trường Ta và công suất phát nhiệt PT. Giang Cao S¬n K46§C 24 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.6.2. Tính toán toả nhiệt 0 Hinh 20. Đồ thị nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép Hình 20 mô tả đồ thị nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép giữa công suất lớn có thể toả ra ngoài môi trường và nhiệt độ vỏ phần tử phụ thuộc nhau theo biểu thức: Pmax = constR T vjth V =− − )( max, 25 ( trong đó giả thiết nhiệt độ môi trường là 250C) Mối quan hệ giữa nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép được thể hiện ở hình 20. Theo đó khi nhiệt độ cấu trúc bán dẫn bằng nhiệt độ cực đại cho phép TJ,max thì công suất toả nhiệt sẽ bằng 0, đồng nghĩa với việc phần tử bán dẫn bị phá huỷ. Các số liệu này ( đồ thị hình 20) cho mỗi phần tử bán dẫn được cho trong đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất. Để đảm bảo cấu trúc bán dẫn ở một nhiệt độ thích hợp ta phải gắn phần tử bán dẫn lên một cánh toả nhiệt. Khi đó: Pmax = constR T ajth V =− − )( max, 25 Theo mô hình truyền nhiệt trên hình 19 ta có : Tj : nhiệt độ của cấu trúc bán dẫn, cho bởi nhà sản xuất TV: nhiệt độ vỏ của phần tử Th : nhiệt độ cánh tản nhiệt Ta : nhiệt độ môi trường Pth: tổn hao phát nhiệt trong phần tử, được tính toán bởi người sử dụng Rth(j-v): trở kháng nhiệt giữa cấu trúc bán dẫn và vỏ cho bởi nhà sản xuất Giang Cao S¬n K46§C 25 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Rth(v-h): trở kháng nhiệt giữa vỏ và cánh toả nhiệt, phụ thuộc hình dạng kích thước vỏ phần tử, cho bởi nhà sản xuất. Rth(h-a): trở kháng nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường cho bởi nhà sản xuất ra cánh toả nhiệt. Rth(h-a) = )( )()( max, max, hvthvjth th aJ RR P TT −− +−− Giá trị Rth(h-a) cho phép chọn được loại toả nhiệt theo yêu cầu dựa vào đặc tính của một số loại toả nhiệt do nhà sản xuất cung cấp. 1.2.7. Vấn đề chung về dao động và khảo sát IC LM3524 1.2.7.1. Các vấn đề chung về tạo dao động Mạch tạo dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau: xung sin, xung chữ nhật, xung tam giác, xung răng cưa… Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số, biên độ, điện áp, độ ổn định tần số, công suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài thông số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu với các tham số khác, nghĩa là tuỳ vào yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và xác định tham số một cách hợp lý. *) Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động K (1) K ht (2) X’r a’ a rX XV Hình 21 mô tả sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp. Trong đó (1) là khối khuyếch đại có hệ số khuyếch đại K = k.ej kϕ và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt htjhtht ekK ϕ.= . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu vX và giả thiết K . htK =1 thì rX ' = Xv vì rX ' = K . htK . vX khi đó tín hiệu lối vào của mạch khyếch đại Xv và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp rX ' bằng nhau cả về biên độ và pha nên có thể Hình 21 21 Giang Cao S¬n K46§C 26 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp nói đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu ra vẫn không thay đổi. Lúc này ta có sơ đồ khối mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ hình 21, chỉ có dao động mà tần số thoả mãn điều kiện K . htK =1 (1) Vì K và htK đều là những số phức nên (1) có thể viết lại như sau: K . htK = K.Kht. = 1 (2) )( htkie ϕϕ + Trong đó: K : modul hệ số khuyếch đại Kht: modul hệ số hồi tiếp kϕ : góc di pha của bộ khuyếch đại htϕ : góc di pha của mạch hồi tiếp Có thể tách biểu thức (2) thành 2 biểu thức: K.Kht = 1 (3) ϕ = kϕ + htϕ = 2π n với n = 0,±1, ±2,.. (4) Như vậy ta nhận thấy: Mạch chỉ có thể tạo được dao động khi hệ số khuyếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra, đây là điều kiện cân bằng về biên độ (3) dao động chỉ có thể được phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu lối vào, điều kiện cân bằng pha (4). 1.2.7.2. Một số mạch tạo xung vuông Có rất nhiều nguyên tắc để tạo ra xung vuông, một trong những nguyên tắc cơ bản đó là: sử dụng mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định (đơn hài) và mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định( đa hài). *) Mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định, đơn hài Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền trạng thái thứ hai chỉ ổn định trong một thời gian nhất định nào đó, sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn định ban đầu. Giang Cao S¬n K46§C 27 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Vout 0 0 t 2τ 1τ b) Giản đồ xung t Vin Đơn hài VoutVin a) Sơ đồ khối mạch đơn hài Hình 22 Để tạo mạch đơn hài ( hình 22 a) ta có thể sử dụng Tranzito hoặc dụng mạch IC. Qua đồ thị (hình 22b) ta có nhận xét sau: Mạch đơn hài sẽ tạo ra một xung có độ rộng là 1τ khi có một xung đưa vào lối vào Vin. Độ rộng xung 1τ không phụ thuộc vào độ rộng của xung lối vào 2τ . *) Mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định, đa hài Mạch đa hài là mạch tự dao động, phát ra xung vuông với tần số và độ rộng phụ thuộc vào tham số RC của mạch, Mạch hoạt động theo nguyên tắc lật trạng thái. Mạch chỉ ổn định trong một khoảng thời gian hạn chế nào đó, rồi tự động lật sang trạng thái kia và ngược lại, mạch tạo ra được xung vuông. Như vậy, bằng việc kết hợp mạch đa hài và đơn hài (hình 25) ta có thể tạo ra được xung vuông lối ra có tần số và độ rộng có thể thay dổi được. Đơn hài Đa hài Hình 25 Ngày nay có rất nhiều các IC chuyên dụng phục vụ cho các mục đích khác nhau, với các thông số kỹ thuật tốt hơn hẳn so với các mạch rời rạc. Giang Cao S¬n K46§C 28 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.7.3. Máy phát xung với tần số và độ rộng có thể thay đổi được, sử dụng IC LM3524 IC LM3524 có sơ đồ khối và sơ đồ chân ra như hình vẽ 26a,b Hinh26a. Sơ đồ khối Hinh 26b. Sơ đồ chân ra Giang Cao S¬n K46§C 29 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 30 LM3524 có một số thông số kỹ thuật sau: - Điện nguồn nuôi: 8V÷ 40 V - Công suất: 1W - Dòng xung lớn nhất: 100mA - Tần số lối ra lớn nhất: 100KHz Từ sơ đồ khối hình 26a ta thấy: Tần số lối ra phụ thuộc và thông CT và RT ở mạch ngoài. Độ rộng xung có thể thay đổi được nhờ vào ngưỡng điện áp UN đưa vào chân 9 ( Compasation) ở hình 27 xung lối ra được đệm qua 2 Tranzito n-p-n hở colector do đó ta có thể chon mức logic lối ra phù hợp với nhu cầu sử dụng. V 2τ 1τ Un2 Un1 V V t t t Hình 27. Nguyên tắc hình thành độ rộng xung §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Sơ đồ mạch phát xung sử dụng IC LM3524. INV INPUT1 IN INPUT2 Vref 16 Vc 15 OSC QUTPUT3 +CL SENSE4 - CL SENSE5 RT6 GND8 E1 11 C2 13 E2 14 E1 9 E2 10CT7 C1 12 LM3524 100K R4 100KR3 10K R1 10K R2Rx Cx 10K R5 Un VCC Hình 28. Sơ đồ máy phát xung sử dụng LM3524 *) Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ trên hình 28 - R1 và R2 được mắc vào 2 chân emittor 1 và emittor 2, chân 14 và chân 11 là 2 điện trở tải emittor cho 2 Tranzito lối ra, cực collector 1 và collector 2( chân 12 và chân 13) được mắc trực tiếp lên đương nguồn ( + Vc). Như vậy biên độ xung lối ra có giá trị điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi ( + Vc). - Tụ Cx được mắc vào chân 7 và Rx được mắc vào chân 6. Tần số xung lối ra (chân 3 hoặc chân 11,14) phụ thuộc vào trị số của Cx và Rx. - Chân 16 ( Chân tạo thế chuẩn 5V) được mắc với chân 2 qua điện trở R2. - Chân 9 mắc với chân1 bởi điện trở R4. Và như vậy hình thành một mạch khuếch đại offset với điện áp lối ra (chân 9) là hiệu của hai điện áp Vref bằng 5 V (chân 16) và điện áp ngưỡng Un đưa vào chân 1. - Khi cấp nguồn +Vc nhờ bộ tạo dao động mà xuất hiện xung răng cưa ở chân 7. - Tăng từ từ điện áp đưa vào chân 1 (Un) khi đến một giá trị điện áp Un* thì ở lối ra ( chân 14 và 11) có xung ra. Nếu tiếp tục tăng Un thì độ rộng xung ra tăng cho đến khi mức cao và mức thấp cố độ rộng như nhau, lúc đó cho dù có tăng Un nữa thì độ rộng xung lối ra không thay đổi ( xem hình 27). Giang Cao S¬n K46§C 31 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.8. Khảo sát nguyên tắc ổn áp cổ điển và ổn áp xung 1.2.8.1. Vấn đề chung về ổn định điện áp Ổn định điện áp(gọi tắt là ổn áp) một chiều trên tải khi điện áp lối vào thay đổi hoặc khi tải biến đổi. Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế sự ghép ký sinh giữa các tầng, giữa các thiết bị dùng chung nguồn nuôi. Việc ổn định điệp áp xoay chiều bằng các bộ ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế và tốn kém, nhất là khi điên áp xoay chiều biến động nhiều. Bộ ổn áp một chiều băng phương pháp điện tử được dung phổ biến hơn, đặc biệt khi công suất tải yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều. Các chỉ tiêu cơ bản của một bộ ổn áp là: - Hệ số ổn áp xác định bằng tỷ số giữa lượng biến thiên tương đối của điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi tải ở một giá trị cố định không đổi. Kôđ = ra ña vao vao u du u du (khi Rt = const) Kôđ : hệ số ổn áp Uvào: điện áp vào bộ ổn áp Ura : điện áp ra của bộ ổn áp Rt : tải lối ra của bộ ổn áp Hệ số ổn áp theo tải: Ktải = % ra ra U U∆ 1rarara UUU −=∆ Ktải : hệ số ổn áp theo tải Ura : điện áp ra khi không tải Ura : điện áp ra khi dòng tải cực đại, Imax - Điện trở ra đăc trưng cho sự biến thiên của điện áp ra khi dòng điện tải thay đổi. Rra = tai ra dI dU (khi Uvao = conts) - Hiệu suất đo băng tỷ số công suất ra tải và công suất danh định ở đầu vào. Giang Cao S¬n K46§C 32 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp vaovao taira IU IU . .=η - Lượng trôi(lượng không ổn dịnh) của dòng điện hay điện áp một chiều ra tải. od vao troi K U U ∆=∆ Các dạng bộ ổn áp trên thực tế chia thành ba loại chính: - Ổn áp kiểu tham số - Ổn áp kiẻu bù tuyến tính - Ổn áp kiểu bù xung Ổn áp kiểu tham số và kiểu bù tuyến tính được xếp vào kiểu ổn áp cổ điển. 1.2.8.2. Ổn áp kiểu tham số dùng điốt zener Uz Uz∆ Uv Uz∆ b) Đặc trưng vôn-Ampe U I DZ R UrUv a) Sơ đồ ổn áp zener Hình 29 Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng đánh thủng zener và hiệu ứng đánh thủng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược. Như vậy điốt zener ổn định điểm làm việc ở chế độ phân cực ngược. Những tham số kỹ thuật của điốt zener là: - Điện áp ổn định Uz (điện áp zener) là điện áp ngược đặt lên điốt làm phát sinh ra hiện tượng đánh thủng. Trên thực tế đối với điốt zener chỉ có một khoảng rất hẹp mà nó có thể ổn định được. Khoảng này bị giới hạn bởi khoảng đặc tuyến của điốt từ phạm vi dòng bão hoà sang phạm vi dòng đánh thủng (hình 29b). - Điện trở động rdz của điốt zener được định nghĩa là độ dốc của đặc tuyến tĩnh của làm việc. Giang Cao S¬n K46§C 33 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp rdz = z z dI dU Do đó ta có thể thấy rằng độ dốc của đường đặc tuyến ở phần đánh thủng có tác dụng quyết định đến chất lượng ổn dịnh của điốt. Khi điện trở động bằng không thì sự ổn định điện áp đạt tới mức lý tưởng. *) Nguyên lý làm việc và đặc tuyến của bộ ổn áp kiểu tham số dùng điốt zener được minh hoạ trên hình 29. Khi điện áp vào Uv biến đổi lượng Uv∆ khá lớn. Từ đặc tuyến của điốt zener silic, ta thấy điện áp ổn định biến đổi rất nhỏ và dòng qua điốt tăng lên khá lớn. Như vậy toàn bộ năng lượng tăng giảm của Uv hầu như hạ trên R, điện áp ra tải hầu như không đổi. Nếu Uv = const và chỉ có dòng tải It tăng sẽ gây nên sự phân phối lại dòng điện. Khi đó dòng Io giảm xuống ( dòng Io là dòng ổn áp) kết quả là khi dòng tải It tăng đến mức nào dó thì diểm làm việc của zener sẽ rơi vào vùng điện trở động lối ra biến đổi và làm cho Uz thay đổi, khả năng ổn định điện áp không còn nữa. Bộ ổn áp tham số có ưu điểm là mạch đơn giản, tiết kiệm. Khuyết điểm của nó là chất lượng ổn áp thấp, chỉ đáp ứng được dòng tải rất nhỏ, không thay đổi được điện áp ra theo yêu cầu. 1.2.8.3. Ổn áp kiểu bù dùng bộ khuếch đại có điều khiển Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù( cỏn gọi là ổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Bộ ổn áp bù có 2 dạng cơ bản là: - Kiểu ổn áp bù song song - Kiểu ổn áp bù nối tiếp Ech Y D IR - + + - It Rt Ur Uv Rd Hình 30a. Ổn áp bù song song Giang Cao S¬n K46§C 34 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Sơ đồ khối bộ ổn áp kiểu song song được minh hoạ bởi hình 30a. Nguyên lý làm việc của loại này tương tự bộ ổn áp tham số, trong đó phần tử ổn áp mắc song song với tải được thay bằng phần tử điều khiển (D), dòng điện trong giới hạn cần thiết qua đó điều chỉnh giảm áp trên điện trở Rđ theo xu hướng bù lại. Ur = Uv- URđ Do đó điện áp ra tải được giữ không đổi. Bộ tạo điện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp Ur ở bộ so sánh và độ sai lệch giữa chúng được khuếch đại nhờ khối Y. điện áp ra của Y sẽ khống chế phần tử điều chỉnh D. Sự biến đổi dòng điện qua tải từ 0 - Imax sẽ gây nên sự biến đổi tương ứng dòng điện qua phần tử điều chỉnh từ Idmax ÷0. D - + + - It Rt Y Ech Hình 30b. Ổn áp bù nối tiếp Ur Uv Hình 30b biểu thị sơ đồ khối bộ ổn áp bù mắc nối tiếp, trong đó phần tử điều chỉnh D được mắc nối tiếp với tải, do dó dòng diện qua tải cũng gần bằng qua D. Nguyên lý hoạt động của bộ ổn áp dựa trên sự biến đổi điện trở trong của phần tử điều chỉnh D theo mức độ sai lệch của điện áp ra,(sau khi đã được so sánh và khuếch đại). Giả sử vì nguyên nhân nào đó làm Ur biến đổi, qua mạch so sánh và khuếch đại Y tín hiệu sai lệch sẽ tác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho điện trở của nó biến đổi theo xu hướng là Uđc trên D bù lại sự biến đổi của Uv. Ta có Ur = Uv - Uđc do có sự biến đổi cùng chiều gữa Uv và Uđc làm cho Ur sẽ ổn định hơn. Trong 2 sơ đồ hình30a,b. Phần tử điều chỉnh gây ra tổn hao chủ yếu về năng lượng trong bộ ổn áp và làm hiệu suất của bộ ổn áp không vượt quá 60%. Trong sơ đồ mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định bằng công suất tổn hao trên Rđ và trên phần tử điều chỉnh D là: PTH = (Uv-Ur).It + Uv.ID Giang Cao S¬n K46§C 35 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Trong sơ đồ mắc nối tiếp, công suất tổn hao chỉ do phần tử điều chỉnh quyết định. PTH = (Uv - Ur). It Trong đó: PTH : công suất tổn hao Uv : điện áp vào Ur : điện áp ra It : dòng điện qua tải Rt Vậy sơ đồ nối tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ mắc song song một lượng là Uv*ID nên hiệu suất của sơ đồ ổn áp nối tiếp cao hơn và được dùng phổ biến hơn. Sơ đồ ổn áp song song cũng có ưu điểm đó là: không gây nguy hiểm khi quá tải vì nó làm ngắn mạch đầu ra. Sơ dồ ổn áp nối tiếp mặc dù có ưu điểm là hiệu suất cao hơn, nhưng cần phải có thiết bị bảo vệ vì khi quá tải, dòng qua phần tử điều chỉnh D và bộ chỉnh lưu sẽ quá lớn, dễ gây sự cố cho chỉnh lưu, phần tử diều chỉnh D và biến áp. 1.2.8.4. Ổn áp xung Điểm quan trọng nhất của bộ ổn áp bù tuyến tính là sự sai lệch điện áp ra được đặt liên tục trên một Tranzito công suất để điều chỉnh để bù lại sai lệch này và giá trị điện áp ra sau bộ ổn áp sẽ là: Ura = Uổnđịnh ≤ Uvào min (Uvào min là giá trị nhỏ nhất của điện áp đưa tới bộ ổn định). Ở các bộ ổn áp xung, người ta thay Tranzito điều khiển bằng một bộ chuyển mạch xung. Trị số trung bình(1chiều) của điện áp ở lối ra được điều chỉnh nhờ việc đóng hay mở chuyển mạch theo một chu kỳ xác định, với thời gian đóng hay mở có thể xác điều chỉnh được theo mức độ sai lệch của điện áp ra Ura. Nếu đặt bộ chuyển mạch của điện tử ở mạch thứ cấp của biến áp nguồn, ta nhận được bộ ổn áp xung thứ cấp. Nếu đặt bộ chuyển mạch điện tử ở mạch sơ cấp, ta có bộ ổn áp xung sơ cấp. Để giảm công suất tổn hao của biến áp, người ta chọn tần số làm việc của chuyển mạch cao ( vài KHz đến vài chục KHz). Bằng cách đó kích thước, trọng lượng của biến áp giảm đi vài lần và hiệu suất năng lượng chung của bộ ổn áp có thể đạt trên 80%. Các chuyển mạch điện tử là các tranzito công suất làm việc ở chế độ xung. Việc điều khiển đóng mở tranzito được thực hiện nhờ xung vuông đưa tới Bazơ, có chu kỳ xung không đổi. Tồn tại 3 khả năng điều khiển tranzito chuyển mạch là: - Thay đổi độ rộng xung điều khiển theo mức sai lệch của Ura, nhờ đó điều chỉnh được điện áp ra. Giang Cao S¬n K46§C 36 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp - Thay đổi độ trống của xung điều khiển - Thay đổi đồng thời cả độ rộng và độ trống của xung điều khiển Như vậy ổn áp xung có hiệu suất cao hơn kiểu ổn áp cổ điển(có thể đạt trên 80%), nhờ tần số làm việc của biến áp khoảng vài KHz đến vài chục KHz, nhờ dó mà biến áp có hiệu suất cao, kích thước được thu nhỏ hơn rất nhiều lần so với biến áp hoạt động ở tần số 50Hz . Ổn áp xung có thể ổn định điện áp với điện áp lối vào biến đổi ở dải rộng mà tổn hao năng lượng nhỏ. Một lợi thế của ổn áp xung nữa là: do biến áp hoạt động ở tần số cao cho nên khi chỉnh lưu ra điện áp một chiều thì chỉ cần tụ lọc có trị số nhỏ và cuộn chặn trên lõi ferit tần số cao rất nhỏ, nhờ đó càng làm giảm kích thước và hạ giá thành của nguồn ổn áp. Qua mục 1.2 chúng ta đã khảo sát một số linh kiện đóng cắt cho nguồn một chiều, các vấn đề chung về tạo dao động, IC LM3524, các loại nguồn ổn áp. Trên cơ sở này ta lựa chọn phương án thiết kế dựa trên sơ đồ khối tổng quát được trình bày ở mục 1.1.2, phục vụ yêu cầu đề tài “ Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới”. 1.2.9. Lựa chọn phương án thiết kế Trên cơ sở đã khảo sát ICLM3524 và nhiệm vụ chế tạo, ta lựa chọn IC LM3524 làm máy phát xung vuông, với tần số có thể thay đổi được bằng điện trở, tụ điện, mạch ngoài và có thể thay đổi độ rộng xung. Việc lựa chọn IC LM3524 với lý do đó là một IC điều chế độ rộng xung (PWM) chuyên dụng, hoạt động tin cậy và ổn định, thiết kế đơn giản, đáp ứng được nhiệm vụ chế tạo. Để nâng dòng ra của xung thì xung lối ra của máy phát xung cần phải đệm qua tầng công suất. Như vậy việc lựa chọn linh kiện để đạt công suất của xung ra là cần thiết. Chúng ta đã khảo sát một số linh kiện điện tử công suất đóng cắt được điện áp một chiều như: GTO, Tranzito lưỡng cực BJT, Tranzito MOSFET, IGBT. Với yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ chế tạo đó là: Dòng xung lối ra đạt 15A, tần số cực đại 1,5KHz thì ta lựa chọn MOSFET là phù hợp nhất: - MOSFET hoạt động được ở tần số cao (có thể tới 100KHz) - Dòng xung lối ra 15A, trong khi MOSFET có công suất này dễ dàng chọn lựa tại thị trường trong nước. - Một ưu điểm rất quan trọng của MOSFET là điện áp điều khiển có dòng rất nhỏ. Lợi thế này là hơn hẳn so với Tranzito BJT và GTO, mặc dù chúng có lợi điểm Giang Cao S¬n K46§C 37 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp hơn MOSFET đó là có điện trở dẫn rất nhỏ nhưng chúng lại cần dòng điều khiển lớn, do đó thiết kế phức tạp. Tuy nhiên giải pháp tốt nhất là sử dụng IGBT, bởi vì nó là linh kiện kết hợp được cả ưu điểm: - Điện trở khi dẫn nhỏ của Tranzito lưỡng cực BJT - Khả năng điều khiển bằng điện áp của MOSFET Nhưng với yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ chế tạo đó là dòng xung lối ra 15A thì việc sử dụng IGBT trở nên không cần thiết, hơn nữa rất khó tìm được IGBT ở thị trường Việt Nam. Với những lý do trên, ta lựa chọn phương án cuối cùng đó là lựa chọn MOSFET làm công suất lối ra là phù hợp với yêu cầu chế tạo và điều kiện cụ thể hiện nay. Đối với phần nguồn ổn áp để cấp cho phần công suất thì ta lựa chọn nguồn ổn áp theo nguyên tắc ổn áp kiểu bù dùng bộ khuyếch đại có điều khiển, vì đặc trưng của thiết bị này là dùng cho thí nghiệm mạ, do đó thiết bị thường được đặt trong môi trường có hoá chất, có độ ăn mòn cao. Còn nếu ta sử dụng nguồn ổn áp theo kiểu ổn áp xung thì dù có nhiều đặc trưng kỹ thuật ưu việt như: có dải làm việc cao hơn, hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn nhưng với môi trường làm việc của thiết bị này, độ bền và độ tin cậy của thiết bị sẽ không được đảm bảo. Giang Cao S¬n K46§C 38 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO NGUỒN XUNG LƯỠNG CỰC 2.1 THIẾT KẾT VÀ PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG SƠ ĐỒ KHỐI CHI TIẾT 2.1.1. Sơ đồ khối chi tiết Trên cơ sở nhiệm vụ chế tạo “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” ta thiết kế sơ đồ khối chi tiết như hình vẽ 31. 2.1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chi tiết Máy phát xung sử dụng IC LM3524 để tạo ra xung vuông có độ rộng và tần số có thể điều chỉnh được bằng đường điều khiển độ rộng và tần số nhờ chuyển mạch ( Tần số từ 1Hz-1500Hz, độ rộng xung thay đổi từ 50-80% của chu kỳ xung). Xung lối ra của máy phát xung được đưa vào mạch đo tần số và khối tạo thời gian nghỉ. Khối đo tần số sử dụng vi điều khiển 8051 lập trình để đo tần số. Tần số được chỉ thị bằng đèn led 7 đoạn. Khối tạo thời gian nghỉ thực chất dùng IC CD4040 để chia tần nhằm tạo ra xung điều khiển để khoá tầng đệm công xuất tạo ra thời gian nghỉ. Thời gian nghỉ có thể lựa chọn từ 1÷512 lần chu kỳ xung của máy phát xung nhờ chuyển mạch. Khối tạo thời gian nghỉ còn được sử dụng thêm các bộ khuyếch đại thuật toán để tạo ra xung mở cho nửa dương và nửa âm của tầng đệm công suất. Khối tạo ngưỡng chuẩn sử dụng các bộ khuyếch đại thuật toán để thực hiện các phép tính toán học cộng, trừ. Khối này tạo ra điện áp chuẩn để điều khiển MOSFET tầng công suất, khi điện từ khối ổn áp công suất đưa vào biến đổi( điện áp dương V+ từ 1.2 15V, điện áp âm V÷ - từ 0÷10V). Khối đệm công suất điều khiển các MOSFET ở khối công suất đóng hoặc mở. Ta sử dụng phần tử điều khiển quang điện OPTO 4N35 nhằm cách ly tín hiệu xung điều khiển từ khối tạo thời gian nghỉ và đối tượng điều khiển là MOSFET ở khối công suất. Khối công suất sử dụng MOSFET IRFP250 và IRF9630 nhận nguồn V+ và V- từ khối nguồn công suất ổn áp và việc điều khiển nhờ khối đệm công suất, tạo ra xung lưỡng cực có biên độ là V+ cho nửa dương và V- cho nửa âm, với dòng cực đại là 15A. Khối nguồn công suất ổn áp tạo ra điện áp V+, V- với dòng cực đại 15A cấp cho khối công suất. Khối này sử dụng IC LM317 và Transistor 2N3055 nhằm tạo ra được điện áp lối ra có đủ dòng để đáp ứng cho khối công suất (15A) và giá trị điện áp ra có thể được điều chỉnh một cách dễ dàng nhờ chiết áp. Giang Cao S¬n K46§C 39 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Nguån æn ¸p c«ng suÊt §o tÇn sè 152,1 ÷ V+ A V 15 100÷ V- Chän thêi gian nghØ §iÒu chØnh ®é réng §iÒu chØnh tÇn sè T¹o thêi gian nghØ §Öm c«ng suÊt C«ng suÊt T¶i (BÓ m¹) Nguån æn ¸p +5+12+18-18V H×nh 31: S¬ ®å khèi chi tiÕt M¸y ph¸t xung V+ V- T¹o ng−ìng chuÈn Giang Cao S¬n K46§C 40 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Khối nguồn ổn áp nuôi cho mạch điều khiển sử dụng các IC ổn áp thông dụng như 7818, 7918… để tạo ra các điện áp +5V, +12V, +18V, -18V nuôi cho các phần tử trong mạch điều khiển và mạch đo tần số. 2.2 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý được chia làm 4 phần: - Phần tạo xung điều khiển (Hình 32) bao gồm: Máy phát xung sử dụng IC LM3524. Mạch tạo thời gian nghỉ sử dụng các IC số CMOS, các bộ khuếch đại thuật toán sử dụng IC LF353. - Phần công suất ( Hình 33) bao gồm: tầng công suất, tầng đệm điều khiển và tạo ngưỡng chuẩn để kích mở tầng công suất. Sử dụng các MOSFET công suất IRF9150, IRFP 250, linh kiện quang điện OPTO 4N35, và 4 bộ khuếch đại thuật toán sử dụng IC LM353. - Phần nguồn ổn áp công suất ( Hình 34). Sử dụng phần tử ổn áp LM317 và các Tranzito A1013, 2N3055 để nâng công suất lối ra (15A). - Phần nguồn nuôi cho mạch điều khiển ( Hình 35). Sử dụng các IC ổn áp thông dụng: LM7805, LM7812, LM7818, LM7918. Để tạo ra các điện áp ổn định nuôi cho các linh kiện điện tử. 2.2.2. Phân tích nguyên tắc hoạt động của sơ đồ nguyên lý 2.2.2.1. Phân tích nguyên tắc hoạt động sơ đồ nguyên lý phần tạo xung điều khiển (hình 32) *) Máy phát xung sử dụng IC LM3524. IC LM 3524 đã được khảo sát ở mục 1.2.7.3. Ở đây ta phân tích nguyên tắc hoạt động của sơ đồ được thiết kế cho nhiệm vụ chế tạo của đề tài: - Hai điện trở R1 và R2 là hai điện trở tải cho lối ra của máy phát xung. - Tần số xung lối ra được xác định bởi trị số của tụ điện và điện trở ở mạch ngoài. Do đó tần số được lựa chọn bằng chuyển mạch SW1 và điều chỉnh theo từng khoảng bằng các biến trở VR2 ÷VR5. - Độ rộng xung ra được điều chỉnh bởi biến trở VR1. Khi cấp nguồn +18V vào chân 15 thì ở chân 16 chân ra điện áp chuẩn 5V điện áp này được chọn nhờ mạch phân áp R3, R4 và VR1. Khi điều chỉnh VR1 thì ta sẽ có điện áp đưa vào chân 9 biến đổi từ 0.86 – 3.64V và do đó độ rộng xung lối ra sẽ biến đổi như hình 27. Độ rộng xung lối ra Giang Cao S¬n K46§C 41 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 42 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A CLK10 RST11 Q1 9 Q2 7 Q3 6 Q4 5 Q5 3 Q6 2 Q7 4 Q8 13 Q9 12 Q10 14 Q11 15 Q12 1 IC3 4040 D5 Q 1 CLK3 Q 2R 4 S 6 IC4A 4013 1 2 3 IC5A 4081 8 9 10 IC5C 4081 5 6 4 IC5B 4081 1 2 3 IC6A 4071 R6 2.2K R5 10K 10K R1 10K R2 R7 10K 2K7 R4 4K7 R3 10K VR1 104 C5 INV Input1 IN Input2 Vref 16 Vc 15 OSC Qutput3 +CL Sense4 - CL Sense5 Rt6 gnd8 E1 11 C2 13 E2 14 Compensation 9 Shutdown 10Ct7 C1 12 LM3524 IC1 104 C1 404 C2 10u C3VR2 2. 5K 10k VR3 7K 10k VR4 16 5K 10k VR5 20 0K 10k 1.5KHz 1K H z 50 0H z 10 H z R8 10K R14 3.3k R17 3.3k R16 22k R13 22k D2 D1 C7 472 R11 1.5k C945 C945 R10 10k C6 103 R9 10k C4 10u +12V R18 10k R1510k SW2 SW1 1 512 1 R12 1K8 D3 12V +18V Vref 12V (A) (B) 3 2 1 8 4 IC2A LF353 5 6 7 IC2B LF353 VCC +18V (b) (a) (4)(1) (3) (2) H×nh vÏ 32: S¬ ®å nguyªn lý tÇng t¹o xung ®iÒu khiÓn vµ t¹o thêi gian nghØ §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 43 H×nh vÏ 33: S¬ ®å nguyªn lý tÇng ®Öm c«ng suÊt vµ c«ng suÊt 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Q4 IRFP250 Q3 IRF9150 IC7 4N35 R20 4.7K R22 1.5K R21 1K5 R19 4.7K IC8 4N35 R32 270 +V(15A) -V(15A) 3 2 1 8 4 IC10A LF3535 6 7 IC10B LF353 R30 10K R28 10K R24 10K R23 10K R29 10K R25 10K R26 10K R31 10K R27 10K 2 3 1 8 4 IC9A LF353 6 5 7 IC9B LF353 Vref Vref (A) (B) RA TAI R45 10K §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 44 H×nh vÏ 34: S¬ ®å nguyªn lý tÇng nguån æn ¸p c«ng suÊt 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Vin1 A D J 2 +Vout 3 IC10 LM317H Q10 A1013 R40 470 R39 3k3 R38 22 R43 120 R44 100 VR8 2k5 D5 Vin 3 G N D 1 -5V2 IC11 LM7905CK C15 104 C20 10u C14 20.000u C13 20.000u C16 2200u C17 104 VR9 20k Vin1 A D J 2 +Vout 3 IC9 LM317H R33 3k3 R32 22 R37 120 VR6 2k5 D4 C10 104 C9 20.000u C8 20.000u C11 2200u C12 104 VR7 20k C18 1000u C19 104 Q122N3055 Q112N3055 Q9 B633 R42 RES2 R41 RES2 Q6 A1013 R34 470 Q82N3055 Q72N3055 Q5B633 R36 RES2 R35 RES2 35A 35A 1A BIENAP 22 0V A C +V (15A) 0V -V (15A) 19 V A C 15 V A C 8V A C §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 45 H×nh vÏ 35: S¬ ®å nguyªn lý nguån æn ¸p nu«i cho m¹ch ®iÒu khiÓn 8V A C 40 V A C 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Vin1 G N D 3 +5V 2 IC15 MC78L05CG Vin1 G N D 3 +18V 2 IC12 MC78L18CG Vin3 G N D 1 -18V 2 IC13 MC7918K C22 104 C28 104 C24 104 C30 104 C34 104 C32 104 C21 2200u 50V C27 2200u 50V C31 2200u 16V C23 10u 25V C29 10u 25V C33 10u 16V Vin1 G N D 3 +12V 2 IC14 LM7812CK C25 10u 16V C26 104 1A 1A 22 0V A C +12V +18V -18V +5V §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp cực đại là 50% nửa dương và 50% nửa âm. Xung ra ở chân 14 và chân 11 lệch pha nhau 1800 ( hình vẽ 36). P14 P11 Hình 36. Xung lối ra của IC LM3524 - Xung lối ra chân 11 được đưa vào hai bộ so sánh sử dụng mạch khuếch đại thuật toán LM353 để đảo pha và hình thành lại dạng xung. - Nguyên tắc đảo pha và hình thành lại dạng xung dùng khuếch đại thuật toán được thực hiện dựa trên đặc tuyến truyền đạt điện áp của khuếch đại thuật toán ( hình 37). -Ec Uv +Ur max -Ur max +Ec Đầu vào đảo Đầu vào không đảo Ur Hình 37. Đặc tuyến truyền đạt Hình vẽ 36 thể hiện: -Khi điện áp đầu vào không đảo(+) đủ lớn đến mức Uv nào đó (phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán). Thì điện áp ra đạt giá trị cực đại (điện áp bão hoà) +Ura max. - Khi điệp áp đầu vào đảo(-) có giá trị âm đến mức -Uv nào đó thì thì điệp áp lối ra đạt giá trị cực đại -Ura max. Trên sơ đồ nguyên lý hình 32 ta thấy: lối vào không đảo ( chân 3 IC2A và lối vào đảo ( chân 6 IC 2B ) có điệp áp 3.2V nhờ phân áp R5 = 10K và R6 = 2.2K xung ở Giang Cao S¬n K46§C 46 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp chân 11 được đưa vào lối vào đảo và không đảo (chân 5 IC2B), ở lối ra chân 7 ta nhận được xung lặp lại dạng xung ở chân 11 và ở chân 1 ta nhận được xung đảo lại so với dạng xung ở chân 11 (xem hình 38). Khi biên độ của xung ra ở chân 11 IC1 vượt qua ngưỡng 3.2 V. Nửa âm của xung lối ra (chân 1 và 7) được cắt bởi điốt D1 và D2, tạo ra dạng xung dương ở (1) và (2) +17V +17V 0V 0V -17V +17V 0V -17v 17 0V 17 0V P11 (IC1) P11 (IC2A) P1 (IC2A) (2) (1) Hình 38 *) Tạo thời gian nghỉ. Các IC được dùng để tạo thời gian nghỉ: - CD 4040 có chức năng chia tần bằng bộ đếm nhị phân 12bit. - CD 4013 gồm 2 trigơ D. - CD 4081 thực hiện phép AND, gồm 4 cổng AND 2 đường vào và 1 đường ra. - CD 4071 thực hiện phép OR, gồm 4 cổng OR 2 đường vào và 1 đường ra. Nguyên tắc hoạt động được thể hiện qua giản đồ xung ở hình vẽ 39. Giang Cao S¬n K46§C 47 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Reset (2) (1) T*2(Q1) (3) Q Reset T*4(Q2) (3) Q Reset Hình 39. Giản đồ xung tạo thời gian nghỉ Bộ đếm nhị phân CD4040 và Trigơ D CD4013 được Reset ban đầu bởi mạch vi phân C4 và R9 có độ rộng là RC7,0≈τ . Xung Reset được tạo dạng nhờ đưa qua cổng AND (IC5C) và cổng OR (IC6A). Bộ chia tần sử dụng IC CD4040 được tác động bởi sườn xuống của xung được đưa vào chân Clock (chân 10). Ở các lối ra từ chân 1 ÷ 15 (trừ chân 11 là chân Reset) ta có hệ số chia tần tương ứng từ 2 ÷ 4096 . Theo yêu cầu của nhiệm vụ chế tạo, ta Giang Cao S¬n K46§C 48 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp chỉ sử dụng đến hệ số chia tần 512. Việc lựa chon hệ số chia tần được thực hiện bởi chuyển mạch thời gian nghỉ SW2. Giản đồ xung hình 39 cho trường hợp hệ số chia tần là 4 và 2. Ta sẽ phân tích trường hợp chọn hệ số chia tần là 4. Khi SW2 đặt ở vị trí chon thời gian nghỉ là T*4 (T là chu kỳ xung của máy phát) khi mạch điều khiển được cấp nguồn thì ở hai lối ra (1) và (2) điều khiển đóng,mở tầng công suất sẽ có mức lôgic là thấp, do lối ra Q của IC4A ở mức lôgic cao làm cho Q1, Q2 thông bão hòa. Do đó (A) và (B) có mức lôgic là thấp. Sau 4 chu kỳ xung thì Q4( chân 7 IC3) lên mức cao, qua cổng AND(IC5A) làm cho Q của IC4A xuống mức thấp. Vì vậy Q1 và Q2 ở trạng thái cấm, lúc này (A) và (B) có xung ra điều khiển việc đóng/mở tầng công suất ( (A) điều khiển cho mở nửa dương, (B) điều khiển cho mở nửa âm). Hết một chu kỳ của xung ra thì Q của IC4A lại lên mức cao nhờ xung từ (1) đưa qua cổng AND (IC5A) tác động vào chân Clock của Trigơ D (IC4A), do đó hình thành xung Reset lại bộ chia tần CD4040 và Trigơ D CD4013. Các chu kỳ sau lại được tiếp tục qua khoảng thời gian T*4. Những trường hợp chọn hệ số chia tần khác thì nguyên tắc hoạt động của mạch tạo thời gian nghỉ cũng tương tự. Riêng trường hợp chon hệ số chia tần là 2 thì ở lối ra T*2(chân 9 IC3) ta mắc thêm mạch tích phân C7 và R11 nhằm kéo dài sườn xuống của xung ra nhằm đảm bảo xung (1) vẫn có đủ thời gian tác động vào Trigơ D(IC4A) và do đó tạo được xung Reset để bắt đầu chu kỳ tiếp theo. 2.2.2.2. Phân tích hoạt động sơ dồ nguyên lý phần công suất (hình 33) Phần công suất được chia làm 3 khối chức năng: - Tạo ngưỡng chuẩn: Nhằm tạo ra điện áp chuẩn để đưa vào kích mở Tranzito MOSFET ccông suất, khi điện áp V+ và V- biến đổi. - Điều khiển đóng mở Tranzito MOSFET sử dụng linh kiện quang điện OPTO 4N35 nhằm cách ly xung điều khiển và MOSFET công suất. - Công suất: Sử dụng Tranzito MOSFET IRFP250 và IRF9150 nhằm tạo xung lối ra có công suất đủ lớn theo yêu cầu của nhiệm vụ chế tạo. *) Phân tích nguyên tắc hoạt động của khối tạo ngưỡng chuẩn Khối tạo ngưỡng chuẩn sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các phép toán cộng đảo và khuếch đại đảo. Giang Cao S¬n K46§C 49 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Hình 41. Bộ cộng đảo Hình 40. Bộ khuếch đại đảo R2 R1 Rn R 3 2 1 8 4 A LF353 3 2 1 8 4 A LF353 R1 R2 U1 U2 Un Ur Uv Ur Để thực hiện phép khuếch đại đảo thì ta mắc bộ khuếch đai thuật toán theo sơ đồ hình 40. Ur = -Uv( 1 2 R R ) ở đây hệ số khuếch đại K= - 1 2 R R nếu chọn R2 = R1 thì hệ số khuếch đại K = -1. Như vậy sơ đồ hình 40 có tính chất tầng đảo, lúc này Ur = -Uv. Để thực hiện phép cộng đảo thì ta mắc các bộ khuếch đại thuật toán theo sơ đồ hình vẽ 41. Ở đây Ur = -R( n n R U R U R U +++ ... 2 2 1 1 ) Nếu R3 = R1 = R2 = …Rn thì Ur = -(U1 + U2 +…+Un) Với sơ đồ nguyên lý hình 33: - IC9 thực hiện chức năng: luôn tạo ra thế chuẩn -12V so với V+ khi V+ thay đổi. Giả sử V+=15V qua tầng đảo lặp lại IC9A thì ở lối ra chân 1 của IC9 có điện áp - 15V, điện áp này được cộng đảo với điện áp Vref =12V, kết quả là ở lối chân 7 có điện áp 3V nhỏ hơn V+=15V một lượng là 12V. - IC10 thực hiện chức năng: luôn tạo ra thế chuẩn +12V so với V- khi V- đổi. Giả sử V- = -10V, như vậy qua tầng cộng đảo IC10A thì ở lối ra chân1 của IC10 có điện áp là -2V, điện áp này được đươcqua tầng đảo lặp lại IC10B. Kết quả là ở lối ra chân 7 có điện áp 2V, điện áp này lớn hơn diện áp V- một lượng là -12v. Như vậy với tầng tạo thế chuẩn IC9 và IC10 ta luôn có được điện áp UGS 12V với MOSFET kênh n và UGS ≈ ≈12V với MOSFET kênh p. Đảm bảo đủ mức điều khiển Tranzito MOSFET mở ở chế độ bão hoà khi điện áp V+ và V- biến đổi. Giang Cao S¬n K46§C 50 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp *) Điều khiển các Tranzito MOSFET công suất đóng mở Tranzito MOSFET được điều khiển đóng hoặc mở bởi linh kiện quang điện OPTO 4N35, điều này tương ứng với mức lôgic của xung điều khiển được đưa vào (A) và (B) là âm hay dương, cụ thể hơn là khi chân 5 và 4 của OPTO 4N35 thông với nhau thì MOSFET sẽ mở vì lúc này UGS ≈ -12V với MOSFET kênh p và UGS 12V với MOSFET kênh n. Điều này tương ứng với việc phototranzito nằm trong OPTO 4N35 thông bão hoà khi dòng qua điốt phát quang đủ lớn. Với OPTO 4N35 thì dòng qua điốt phát quang khoảng 4 – 5mA. Một vấn đề cần đặt ra là định dòng làm việc cho điốt phát quang. ≈ - Việc định dòng cho điốt phát quang của OPTO 4N35 được thực hiện như sau: Xung điều khiển đưa đến (A), (B) có biên độ ≈16V sụt áp trên điôt phát quang là 1,8V. Như vậy ta mắc hai điện trở R14 và R17 có trị số 3,3K nhằm định dòng qua diot phát quang là 4,3mA, đảm bảo phototranzito ở trong Opto 4N35 thông bão hoà, tức là chân 4 và 5 của Opto 4N35 thông với nhau. Như vậy bằng xung điều khiển từ (A) và (B)tác động vào Opto 4N35 làm cho Tranzito MOSFET đóng hoặc mở, Khi ở (A) có xung dương tác động thì IRF9150 mở và tạo ra nửa dương của xung ra tải và khi ở (B) có xung dương tác động thì IRFP250 mở và tạo ra nửa âm của xung ra tải. Xung ra tải sẽ có mức một chiều 0V khi cả (A) và (B) đều có mức logic thấp ( ≈ ≈0V). Toàn bộ quá trình hình thành xung ra tải được minh hoạ bằng hình vẽ 42. Giang Cao S¬n K46§C 51 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 0V 16V (b) (a) 0V -16V -0V V+ V+ V- Ra tải(T*1) (4) Chọn T*2 (A) (B) 0V V- Ra tải(T*2) (4) Chọn T*4 (A) (B) Ra tải (T*4) Ra tải (T*4) khi dòng xung dương: 15A, âm: 7A V- V+ V- - 1,2V V+ - 1,4V Hình vẽ 42. Giản đồ hình thành xung ra tải Giang Cao S¬n K46§C 52 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 2.2.2.3. Phân tích nguyên lý hoạt động phần nguồn ổn áp công suất. Nguồn ổn áp công suất dựa trên nguyên tắc nguồn ổn áp kiểu bù mắc nối tiếp mà ta đã khảo sát ở mục 1.2.8.3. Trên sơ đồ nguyên lý hình vẽ 34 thì phần tử điều chỉnh D là hai Tranzito công suất 2N3055 được mắc nối tiếp với tải. Phần tử ổn áp cơ bản là IC LM317 với đặc điểm là điện áp lối ra có thể điều chỉnh được. Hình 43: điều chỉnh điện áp ra của LM317 Vin1 A D J 2 +Vout 3 LM317H R1 R2 UrUv IC LM317 có thể điều chỉnh điện áp lối ra một cách dễ dàng theo sơ đồ nguyên lý hình vẽ 43. LM317 có đặc điểm sau: điện áp lối ra (chân 3) luôn lớn hơn điện áp ở chân điều khiển (chân 2) là 1,25V, Ura = 1,25*(1+ 1 2 R R ) V. Như vậy khi chân điều chỉnh được nối đất thì Ura = 1,25V. Dòng tại chân điều chỉnh là rất nhỏ (50 - 100µ A), dòng qua R1 là 1 25,1 R V . Điện áp lối ra thực tế Ura ≈1,25V + UADJ, khi UADJ = -1,25V thì điện áp lối ra là Ur = 0V. Sơ đồ nguyên lý ở hình vẽ 34 có phần tử ổn áp LM317 hoạt động theo nguyên tắc trên. Hai điện trở R37, R43 là 120Ω , do đó dòng qua chúng là Ω120 25,1 V ≈ 1mA. Như vậy khi biến trở VR6 huặc VR8 thay đổi 100Ω thì điện áp Ura biến động tương ứng là 1V, khi Ura = -1,25V thì Ura = 0V. Các Tranzito A1013, B633, 2N3055 có nhiệm vụ nâng công suất điện áp ổn áp ra. Để phân tích nguyên tắc ổn áp ta chỉ cần phân tích sơ đồ nguyên lý của nguồn ổn áp công suất tạo ra điện áp V+ còn nguồn ổn áp công suất tạo ra V- thì hoàn toàn tương tự Khi dòng tải tăng kéo theo dòng vào IC LM317 tăng, do đó dòng vào điều khiển Tranzito công suất tăng vì vậy điện áp ra được ổn định. Khi điện áp lối vào tăng thì nhờ R40 làm cho dòng vào điều khiển Tranzito giảm và vì vậy điện áp lối ra được ổn định. Giang Cao S¬n K46§C 53 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Một vấn đề cần chú ý đó là ở 2 lổi ra Emitơ Q8 và Q7được mắc nối tiếp với R36 và R35 nhằm cân bằng dòng qua Q8 và Q7. Điện áp lối ra chỉ có thể ổn áp được khi điện áp lối vào lớn hơn tối thiểu điện áp ổn áp là 4V. 2.2.2.4. Nguồn ổn áp nuôi cho mạch điều khiển Sử dụng các IC ổn áp thông dụng: LM7805, LM7812…sẽ tạo ra được các mức điện áp ổn định để nuôi cho mạch điều khiển. Một vấn đề cần chú ý đó là: Điện áp lối ra chỉ có thể được ổn định khi điện áp lối vào của các IC ổn áp lớn hơn 3V so với điện áp ổn áp danh định. 2.3. TÍNH TOÁN TỎA NHIỆT CHO CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT Việc tính toán toả nhiệt cho các linh kiện công suất là rất cần thiết, bởi vì các linh kiện công suất thường chịu dòng lớn qua và sẽ có sụt áp sinh ra nhiệt. Nhiệt lượng sinh ra trên phần tử công suất cần phải được toả nhiệt, nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép thì sẽ gây nên phá huỷ cấu trúc bán dẫn. Vấn đề toả nhiệt đã được trình bày ở chương 1, mục 1.2.6. Ở đây ta sẽ tính toán cụ thể cho các linh kiện công suất mà ta sử dụng để chế tạo thiết bị. *) Xác định trở kháng truyền nhiệt yêu cầu của cánh toả nhiệt cho các Tranzito công suất Việc xác định trở kháng truyền nhiệt yêu cầu của cánh toả nhiệt theo công thức: Rth(h-a) = )( )()( max, max, hvthvjth th aJ RR P TT −− +−− *) Tranzito MOSFET công suất IRFP 250 có các thông số kỹ thuật sau: RDS(ON)=0,085 ; ID=33A; UGS = ±20V; UDS = ±200V; PD= 180W; Ω Tj = 1500C; Rth(j-v) = 0,66 0C/W; Rth(v-h) = 0,1 0C/W Khi dẫn dòng là 15A (ID = 15A) thì sụt áp trên cực D, S là: UDS = ID *RDS(ON) = 15A * 0,083 = 1,275V Như vậy công suất phát nhiệt trên IRFP 250 là: Pth,max = ID*UDS = 15A *1,275V = 19,125W (giả thiết nhiệt độ môi trường là 40 0C) Trở kháng nhiệt của toả nhiệt yêu cầu là: Rth(h-a)= )/1,0/66,0(20 40150 000 WCWC W CW +−− = 4,74 WC /0 Như vậy ta phải chọn loại toả nhiệt có trị số trở kháng nhiệt là 4,74 . WC /0 Giang Cao S¬n K46§C 54 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp *) Với Tranzito MOSFET công suất IRF 9150 RDS(ON)=0,15 ; ID=25A; UGS = ±20V; UDS = -100V; PD= 150W; Ω Tj = 1500C; Rth(j-v) = 0,83 0C/W; Rth(v-h) = 0,1 0C/W Khi dẫn dòng là 15A (ID = 15A) thì sụt áp trên cực D, S là: UDS = ID *RDS(ON) = 15A * 0,15 = 2,25V. Như vậy công suất phát nhiệt trên IRFP 250 là: Pth,max = ID*UDS = 15A *2,25V = 34W (giả thiết nhiệt độ môi trường là 40 0C) Trở kháng nhiệt của toả nhiệt yêu cầu là: Rth(h-a)= )/1,0/83,0(34 40150 000 WCWC W CW +−− = 2,3 WC /0 Như vậy ta phải chọn loại toả nhiệt có trị số trở kháng nhiệt là 2,3 . WC /0 *) Với Tranzitor công suất 2N3055 Có các thông số kỹ thuật là: IC=15A; UGS = ±20V; UCE = 60V; PD= 115W; Tj = 2000C; Rth(j-v) = 1,52 0C/W; Rth(v-h) = 0,1 0C/W Dòng IC thực tế sử dụng khoảng 7,5A, trong dải làm việc thì sụt áp lớn nhất (UCE) là 11V. Như vậy công suất phát nhiệt trên IRFP 250 là: Pth,max = IC*UCE = 7,55A *11V = 83W (giả thiết nhiệt độ môi trường là 40 0C) Trở kháng nhiệt của toả nhiệt yêu cầu là: Rth(h-a)= )/1,0/52,1(83 40200 000 WCWC W CW +−− = 0,31 WC /0 Như vậy ta phải chọn loại toả nhiệt có trị số trở kháng nhiệt là 0,31 WC /0 Qua việc tính toán trị số trở kháng nhiệt yêu cầu của tỏa nhiệt, ta chọn loại toả nhiệt cánh nhôm đúc để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật trên. Đặc biệt diện tích cánh toả nhiệt cho Tranzitor 2N3055 là lớn nhất. Ngoài ra để đảm bảo diện tích cánh toả nhiệt không quá lớn, ta đã sử dụng thêm quạt. Giang Cao S¬n K46§C 55 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 2.4 KẾT CẤU THIẾT BỊ 2.4.1. Lựa chọn phụ kiện trên mặt máy - Với điện áp cần chỉ thị cực đại là 15V, dòng cực đại là 15A và yêu cầu độ phân giải không cao, do đó ta đã lựa chọn các chỉ thị dòng và áp trên mặt máy là đồng hồ chỉ thị kim. Đồng hồ đo điện áp sẽ chọn loại chỉ thị cực đại là 20V và đồng hồ đo dòng chọn loại chỉ thị cực đại là 20A. - Để chỉ thị được tần số một cách chính xác ta chọn phương pháp chỉ thị số(31/2 digit) - Các dải tần số và khoảng thời gian nghỉ của xung lưỡng cực ta chọn những loại chuyển mạch có các tiếp điểm được mạ bạc để đảm bảo độ tin cậy cao. - Các phụ kiện cần phải được lựa chọn thêm: Công tắc, cầu chì và các chiết áp. 2.4.2. Thiết kế vỏ thiết bị và lắp ráp - Vỏ thiết bị cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: kết cấu vững chắc, tiện lợi cho người sử dụng, có tính mỹ thuật, tiện lợi khi lắp ráp và sửa chữa. - Các khối lắp ráp cần phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và tiện lợi khi thi công: Khối toả nhiệt được lắp đặt giữa luồng hút gió của quạt để đảm bảo hiệu suất toả nhiệt cao. Các khối chức năng được bố trí ở các vị trí riêng biệt, khối nguồn ổn áp, mạch điều khiển, các linh kiện công suất (xem hình 44). Kết quả cuối cùng của khoá luận là thiết bị “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” (xem hình 45). Giang Cao S¬n K46§C 56 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 57 Hình 14: Cấu trúc bên trong “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Hình 45: “Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” Giang Cao S¬n K46§C 58 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp KẾT LUẬN Trong thời gian thực hiện khoá luận, trên cơ sở nghiên cứu, khảo sát và làm thực nghiệm, đã chế tạo được thiết bị có các thông số kỹ thuật sau: - Tần số xung ra từ 1Hz ÷1500Hz được lựa chọn theo 5 dải (từ 1-10Hz, 10- 100Hz, 100 500Hz, 500 1000Hz, 1000÷ ÷ ÷1500Hz) - Thời gian nghỉ sau một cặp xung lưỡng cực: từ 1÷512 lần của một chu kỳ xung - Xung lối ra là xung vuông lưỡng cực, có thể điều chỉnh được độ rộng: Đối với xung dương có thể điều chỉnh được từ 50-80%, và tương ứng xung âm có thể điều chỉnh được từ 50-20% của chu kỳ xung lưỡng cực. - Biên độ: xung dương 1,2÷15V, xung âm 0 ÷10V - Dòng cực đại 15A - Thiết bị có chiều cao 225mm, rộng 470mm, và chiều sâu là 370mm *) Đánh giá kết quả nhận được Qua thông số kỹ thuật đã đạt được của thiết bị ta có một số những đánh giá nhận xét sau: Thiết bị đã đưa vào sử dụng trong đề tài cấp cơ sở mạ xung Ni của Phòng nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ vật liệu thuộc Viện khoa học vật liệu, qua đó được đánh giá: Các thông số kỹ thuật của thiết bị là hoàn toàn đáp ứng tốt cho mục đính thí nghiệm, nghiên cứu của đề tài. Tuy nhiên để phạm vi ứng dụng trong thí nghiệm kỹ thuật mạ xung được đa dạng, có thể phục vụ cho nhiều chất liệu mạ, với các hình dạng và kích thước của vật thể mạ khác nhau thì các thông số như: - Tần số xung ra cần có dải biến đổi rộng hơn ( Từ 0,1Hz đến hàng chục KHz) - Độ rộng xung có thể điều chỉnh được từ 0-100% - Dòng xung được nâng lên vài chục, thậm chí hàng trăm Ampe Nếu có được các thông số như vậy thì thiết bị còn có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Xin xem ở phụ lục bản đánh về thiết bị này sau một thời gian sử dụng tại Phòng nghiên cứu ăn mòn và bảo vệ vật liệu-Viện Khoa học vật liệu. Giang Cao S¬n K46§C 59 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp PHỤ LỤC Giang Cao S¬n K46§C 60 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ thuật điện tử – Nhà xuất bản giáo dục Đỗ Xuân Thụ [2] Điện tử công suất – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Võ Minh Chính [3] Circuits for electronics engineers Edited by Samuel Weber Executive Editor, Electronics [4] Electrodeposited magnetic multi nanolayer [5] Nanocoating Produced by Pulse Plating [6] Electrodeposition of Binary (Au-Sb) and Ternary (Au-Cu-Cd) 18K Alloys with Pulsed and D.C Current [7] BM Journal of Research and Development, Vol 42, Number 5, 1998, Electrochemical Microfabrication [8] [9] [10] [11] Giang Cao S¬n K46§C 61 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp LỜI CẢM ƠN Lời đầu cho phép Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy trong Khoa điện tử –Viễn thông trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội, đã tận tình dạy dỗ chỉ bảo trong suốt quá trình Em học tập tại trường và tạo điều kiện cho Em được làm khoá luận thực nghiệm. Đặc biệt cho Em xin cảm ơn tới thầy giáo TS. Nguyễn Việt Dũng, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn Em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận, giúp Em có thể hoàn thành được khoá luận này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ làm việc tại Phòng công nghệ điện hoá -Viện công nghệ môi trường, và các Anh đồng nghiệp Phòng kỹ thuật điện tử – Viện khoa học vật liệu, đã tạo điều kiện giúp đỡ Em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận. Cuối cùng Em xin cảm ơn các Anh,Chị làm việc tại Phòng kỹ thuật ăn mòn và bảo vệ vật liệu-Viện khoa học vật liệu , đặc biệt là TS. Phạm Thy San đã đặt nhiệm vụ và tham gia đánh giá góp ý để thiết bị đưa vào sử dụng có kết quả. Giang Cao S¬n K46§C 62