GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Điện tử công suất NGHỀ Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ

SỞ LAO ĐỘNG TB XH TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Điện tử công suất NGHỀ Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ Cao đẳngTrung cấp Ban hành kèm theo Quyết định số 835QĐ CĐN ngày 31 thá.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ

SỞ LAO ĐỘNG TB & XH TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN: Điện tử công suất NGHỀ: Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng/Trung cấp

Ban hành kèm theo Quyết định số 835/QĐ-CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021

của Trường Cao đẳng nghề Hà Nam

Hà Nam, năm 2021

1

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trường

2

LỜI GIỚI THIỆU

Nhằm thống nhất nội dung giảng dạy và đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu của sinh viên Tác giả đã xây dựng giáo trình áp dụng chương trình đào tạo Cao đẳng nghề Điện công nghiệp Đây là tài liệu giảng dạy của giảng viên và học tập, nghiên cứu của sinh viên trường Cao đẳng nghề Hà Nam

Nội dung giáo trình được xây dựng trên cơ sở thừa kế những nội dung giảng dạy của các giảng viên trường Cao đẳng nghề Hà Nam và kết hợp với các tài liệu tham khảo trong và ngoài nước

Giáo trình do các nhà giáo có nhiều năm kinh nghiệm tham gia giảng dạy

và đóng góp ý kiến Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, định hướng kiến thức theo quan điểm phát triển công nghệ ứng dụng không đi nghiên cứu sâu các kiến thức hàn lâm mà chủ yếu nghiên cứu hệ quả của quá trình phân tích các mạch công suất

Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng biên soạn, nhưng giáo trình chắc không tránh khỏi khiếm khuyết Hy vọng nhận được sự góp ý của bạn đọc Mọi góp ý

thành cảm ơn!

Hà Nam, ngày 20 tháng 12 năm 2021

Tham gia biên soạn

Chủ biên: Đặng Thị Nguyệt Thu

3

MỤC LỤC

Trang

BÀI MỞ ĐẦU 6

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 6

1 Khái niệm chung về điện tử công suất 7

1.1 Khái niệm chung 7

1.2 Ứng dụng của điện tử công suất 7

2 Các khái niệm cơ bản 7

2.1 Trị trung bình của một đại lượng 7

2.2 Công suất trung bình 8

2.3 Trị hiệu dụng của một đại lượng 8

2.4 Hệ số công suất 9

BÀI 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 10

1 Đặc điểm, phân loại các phần tử bán dẫn công suất 10

1.1 Đặc điểm 10

1.2 Phân loại 11

2 Các phần tử bán dẫn công suất 11

2.1 Đi ốt 11

2.2 Transistor 17

2.3 Transistor trường FET 21

2.3 Thyristor 25

2 4 Triac 30

4.3 Công tắc tơ tĩnh: 31

BÀI 2: BỘ CHỈNH LƯU 35

1 Khái niệm chung 36

1.1 Định nghĩa và cấu trúc 36

1.2 Phân loại mạch chỉnh lưu 36

1.3 Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu 36

1.4 Nguyên tắc dẫn của các van dẫn 37

2 Mạch chỉnh lưu không điều khiển 37

2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển 37

2.2 Chỉnh lưu không điều khiển cả chu kỳ với biến áp có trung tính 39

2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 41

2.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 42

3 Mạch chỉnh lưu có điều khiển 45

3.1 Mạch chỉnh lưu tia 1 pha nửa chu kỳ 45

3 2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính 49

3.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha (đối xứng và bất đối xứng) 52

3.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha (đối xứng và bất đối xứng) 57

3.5 Chỉnh lưu tia 3 pha 63

4 Mạch điều khiển thyristor 67

4.1 Sơ đồ khối 67

4.2 Khối đồng pha 67

4.3 Khối phát xung chủ đạo 68

4.4 Khối so sánh 68

4.5 Khối sửa xung và khuếch đại xung 70

5 TCA785 70

5.1 Cấu tạo và dạng điện áp ra của các chân 71

5.2 Khối phát xung điều khiển thyristor 72

6 Máy phát xung UJT 73

6.1 Cấu tạo 73

6.2 Nguyên lý hoạt động 73

7 Bộ phát xung dùng IC 555 74

BÀI 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 76

1 Bộ biến đổi điện áp một pha 76

4

1.1 Trường hợp tải thuần trở R 77

1.2 Trường hợp tải L 78

2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 80

2.1 Sơ đồ mạch 80

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 80

BÀI 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 86

1 Bộ giảm áp 86

1.1 Sơ đồ mạch 86

1.2 Nguyên lý hoạt động 87

2 Bộ tăng áp 89

2.1 Sơ đồ mạch 89

2.2 Nguyên lý hoạt động 89

3 Bộ biến đổi 1 chiều kép 91

3.1 Bộ biến đổi kép dạng tổng quát 91

3.2 Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 93

3.3 Bộ biến đổi kép dạng đảo áp 94

BÀI 5: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN 97

1 Bộ nghịch lưu 98

1.1 Bộ nghịch lưu áp một pha 99

1.2 Bộ nghịch áp ba pha 103

1.3 Bộ nghịch lưu dòng 105

2 Biến tần 107

2 1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng tần số 107

2.2 Phân loại 108

3 Các cấu trúc của biến tần 109

3.1 Các cấu trúc 109

3.2 Nghịch lưu nguồn áp 1 pha 110

3 3 Biến tần gián tiếp với bộ NLĐL nguồn dòng 110

3.4 Biến tấu gián tiếp với bộ NLĐL nguồn áp 112

5

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: Điện tử công suất

Mã mô đun: MĐ29

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

- Vị trí: Trước khi học mô đun này cần hoàn thành các môn học, mô đun cơ

sở, đặc biệt là các môn học, mô đun: Mạch điện; Điện tử cơ bản

- Tính chất: Là mô đun kĩ thuật chuyên môn, thuộc mô đun đào tạo nghề bắt buộc

- Ý nghĩa và vai trò của mô đun: có vị trí quan trọng trong chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp

Mục tiêu của mô đun:

- Về kiến thức:

+ Mô tả được đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO

+ Giải thích được dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC

+ Giải thích được nguyên lý làm việc và tính toán những bộ biến đổi

Nghiêm túc học tập, tích cực luyện tập, đảm bảo an toàn cho người và thiết

bị, tổ chức nơi làm việc gọn gàng ngăn nắp

Nội dung của mô đun:

6

BÀI MỞ ĐẦU KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mã bài: MĐ 29 - 00

Giới thiệu

Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải Như vậy các

bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của môn học điện

tử công suất Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Các

bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động Đây là đặc tính nổi trội của các

bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thường không thể có được

Điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại cũng như trong dân dụng

Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất

Trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và trong dân dụng ngày nay được

sử dụng khá rộng rãi như các bộ điều khiển ánh sáng, chuyển đổi điện DC sang

AC hay bộ băm xung áp…Những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng

ưu vượt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Mục tiêu:

- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong điện tử công suất

- Tính toán được các đại lượng trong điện tử công suất

7

- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học

Nội dung chính:

1 Khái niệm chung về điện tử công suất

1.1 Khái niệm chung

Điện tử công suất là tập hợp những thiết bị sử dụng để biến đổi, điều khiển dòng năng lượng điện thông qua các dụng cụ bán dẫn công suất

Theo nghĩa rộng thì điện tử công suất là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị dùng để biến đổi, điều khiển năng lượng điện

1.2 Ứng dụng của điện tử công suất

Điện tử công suất được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại Theo đó lĩnh vực ứng dụng điện tử công suất nhiều nhất có thể kể đến là: Máy tính, ô tô, điện tử viễn thông, máy điện, hàng không, vũ trụ, chuyển đổi nguồn năng lượng, chiếu sáng

Những ứng dụng chính của điện tử công suất được kể đến là:

- Truyền tải điện năng

- Hệ truyền động của động cơ một chiều, động cơ xoay chiều

- Hệ thống nguồn liên tục UPS

- Hệ truyền động máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu

- Điều khiển một số thiết bị điện đặc biệt: động cơ bước, miện điện từ trở vi bước

2 Các khái niệm cơ bản

2.1 Trị trung bình của một đại lượng

2.1.1 Giá trị trung bình của dòng điện, điện áp





T t

t p

Trong nhiều trường hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến đổi thời gian

x p

T t

t p

X dt t i T

I

0

0 0

0

) (

1 )

( 1

Với X0  t0;X p   T p;X   t ;dX d( t)

X dX

X u X U

p

X x

x p

2.2 Công suất trung bình

Công suất tức thời của một tải tiêu thụ đƣợc xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).i(t)

Công suất trung bình đƣợc xác định bằng cách áp dụng tính trung bình vào đại lƣợng công suất tức thời p(t), tức là:

p

T dt t p T

P

0 0

) ( ).

(

1 ) ( 1

p

X dX X p X

P

0 0

) ( ).

(

1 ) ( 1

với X p   T p

trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình:

Pd= Ud.I = Ud.Id

suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình:

Pd= U.Id = Ud.Id

2.3 Trị hiệu dụng của một đại lƣợng

Gỉa thiết đại lƣợng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc X p   T p Trị hiệu dụng của đại lƣợng i đƣợc tính theo công thức:

p

X dt i T I

0 0

0 2 0

1

Chỉ số RMS (Root Mean Square) có nghĩa là trị hiệu dụng

9

2.4 Hệ số công suất

bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó

thức tính hệ số công suất như sau:

S

P I

U m S I

U m

P cos  ;  ; cos  

Trong đó: U, I - là các trị hiệu dụng của điện áp pha và dòng điện qua tải;

m - là tổng số pha

Câu hỏi ông tập

1 Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu một

2 Nêu cách xác định trị hiệu dụng của một đại lượng và hệ số công suất

có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn Không những vậy các van bán dẫn còn

có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ

Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi

Có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động Đây là đặc tính nổi trội của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử thông thường không thể có được

Nhược điểm: Khó vận hành, sửa chữa

Mục tiêu:

- Nhận dạng được các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện điện tử

- Trình bày được cấu tạo các loại linh kiện điện tử công suất

- Giải thích được nguyên lý làm việc các loại linh kiện

- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo

an toàn, tiết kiệm

11

+ Trạng thái đóng (linh kiện dẫn điện): linh kiện có tác dụng như 1 điện trở rất bé (gần bằng 0) Độ lớn dòng điện qua linh kiện phụ thuộc trạng thái mạch điện, độ sụt áp trên linh kiện nhỏ (tối đa khoảng vài V, lý tưởng coi bằng 0) + Trạng thái ngắt (linh kiện không dẫn điện): linh kiện có tác dụng trong mạch như một điện trở rất lớn Dòng điện qua linh kiện có độ lớn không đáng kể (lý tưởng coi bằng 0), độ lớn điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của mạch điện bên ngoài

- Các van bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc của mình, từ trạng thái ngắt (không dẫn điện) sang trạng thái đóng (dẫn điện) và ngược lại thông qua tác dụng kích thích của tín hiệu lên cực điều khiển của các linh kiện Ta gọi linh kiện có tính điều khiển

Tín hiệu điều khiển là: dòng điện, điện áo, ánh sáng với công suất thường nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của nguồn và tải

1.2 Phân loại

Theo chức năng đóng, ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này, chia thành 3 nhóm chính:

- Nhóm 1: Van không điều khiển - là các linh kiện không có cực điều

khiển và quá trình chuyển trạng thái làm việc của van xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra VD: Đi ôt, Diac

- Nhóm 2: Van điều khiển không hoàn toàn, gồm các linh kiện điều

khiển kích đóng được là các linh kiện có có cực điều khiển, thông qua cực điều khiển tín hiệu chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không thể tự động làm ngắt dòng điện qua nó VD: SCR, Triac

- Nhóm 3: Van điều khiển hoàn toàn, gồm các linh kiện điều khiển kích

ngắt được là các linh kiện có thể thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện

và ngược lại thông qua tác dụng của tín hiệu điều khiển VD: BJT, MOSFET, IGBT, GTO…

12

ra từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do

và để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống)

tử tạp chất thiếu một điện tử vành ngoài nên một liên kết hoá trị (ghép đôi) bị khuyết, ta gọi đó là lỗ trống liên kết có khả năng nhận điện tử Khi nguyên tử tạp chất bị ion hoá sẽ sinh ra đồng thời một cặp ion

âm tạp chất – lỗ trống tự do

b Mặt ghép P-N

a

Hình 1 – 3 Mặt ghép p-n và sự hình thành vùng chuyển tiếp Khi hai đơn tinh thể bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, các hiện tƣợng vật lý sảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các thiết bị bán dẫn hiện đại:

b

13

- Các lỗ của vùng p tràn sang vùng n là nơi có ít lỗ

- Các điện tử vùng n chạy sang vùng p là nơi có ít điện tử

Đó là hiện tượng khuếch tán, kết quả là miền –h < x < 0 nghèo đi về điện tích dương và giầu lên về điện tích âm Người ta nói xuất hiện một điện – tích – không - gian âm

Miền 0 < x < + h mất điện tích âm và được điện tích dương, vậy trong miền này xuất hiện một điện – tích – không – gian dương

/10-6m , p và n đều nhỏ, do đó vùng chuyển tiếp dẫn điện kém Người ta nói nó mất các điện tích cơ động và trở thành vùng cách điện

Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện – trường – nội – tại , ký hiệu là

điện thế

của vùng n và lỗ của vùng p) và làm dễ dàng cho sự di động của các điện tích thiểu số (điện tử vùng p và lỗ vùng n) Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành dòng điện ngược còn gọi là dòng điện rò

c Sự phân cực của mặt ghép p - n

* Phân cực thuận

R p

E i

n

i + -

Khi thiết bị bán dẫn, gồm hai mặt ghép p và n, được đặt lưới điện áp nguồn có cực tính như trên hình 1-4, chiều của điện trường E ngược với chiều của điện trường nội tại Ei (thông thường E > Ei) thì dòng điện i chạy rất dễ dàng trong mạch Trong trường hợp này, điện trường tổng có chiều của điện trường ngoài Điện trường tổng hợp làm dễ dàng cho sự di chuyển của điện tích đa số Các điện tử tái chiếm vùng chuyển tiếp, khiến nó trở thành dẫn điện Người ta nói mặt ghép p – n được phân cực thuận, vậy sự phân cực thuận hạ thấp điện trường nội tại

* Phân cực ngược

Hình 1 – 4 Sự phân cực thuận

14

Điện trường ngoài E tác động cùng

trường tổng hợp cản trở sự di chuyển

của điện tích đa số

Các điện tử vùng n chạy thẳng về cực dương của nguồn E, khiến cho điện thế của vùng này đã cao (so với vùng p) lại càng cao hơn Vùng chuyển tiếp, cũng là vùng cách điện lại càng rộng ra Không có dòng điện nào chạy qua mặt ghép p – n hình 1-5, người ta nói mặt ghép p – n phân cực ngược

2.1.2 Cấu tạo và ký hiệu của diode

a Cấu tạo và ký hiệu

k

p n A

k A

Điode bán dẫn có cấu tạo là một vùng chuyển tiếp p – n với hai điện cực được nối ra bên ngoài Phía miền p gọi là anốt, phía miền n gọi là catốt

Cấu trúc và ký hiệu được vẽ trên hình 1-6a và hình 1-6b

b Nguyên lý hoạt động của diode

Hình 1 - 5 Sự phân cực

d Từ chế độ B sang chế độ S

Đang ở chế độ khoá, dòng điện ngược rất nhỏ, không đáng kể, nếu điốt bị đặt dưới điện áp thuận, dòng điện i cũng không thể ngay lập tức

2.1.3 Đường đặc tính vôn-ampe của điốt (V-A)

Đường đặc tính V-A của điốt bao gồm 2 nhánh: nhánh thuận 1 và nhánh ngược 2 hình 1- 8a Dưới điện áp U > 0, điốt được phân cực thuận, bare điện thế giảm xuống gần bằng 0 Khi tăng U, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau khi U lớn khoảng 0,1V thì i tăng nhanh, đường đặc tính có dạng hàm mũ

Dưới điện áp U < 0 điốt bị phân cực ngược Khi tăng |U|, dòng điện ngược cũng tăng từ từ và khi |U| > 0,1V, dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục

nên Nếu cứ tiếp tục tăng |U|, các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỷ lệ thuận với điện trường tổng hợp

16

Hình 1.8 Đặc tuyến V-A của đi ốt

được các liên kết nguyên tử trong vùng chuyển tiếp, làm xuất hiện những điện

tử tự do mới Đến lượt những điện tử này chịu sự tác động của điện tử tổng hợp lại bắn phá các nguyên tử khác, kết quả là một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng ào ào và bắn phá hỏng điốt Thông thường chỉ cho điốt

* Một vài thông số kỹ thuật của diode:

- Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều

thuận ID (Is)

- Thời gian phục hồi của diode: tr

- Nhiệt độ làm việc cho phép: Tcp

Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật của một số diode

* Hình dạng bên ngoài của diode:

Hình 1-8b Hình dạng bên ngoài của một số diode công suất

2.2 Transistor

2.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động và ký hiệu của transistor lƣỡng cực BJT

18

a Cấu tạo

Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có 2 loại cấu trúc điển hình là npn và pnp nhƣ hình 1-9a,b; 1-10a, b

Hình 1-11 Hình dạng của một số loại Transistor

- Cực E (Emitter): đƣợc gọi là cực phát, đƣợc pha đậm tạp chất nên nồng

độ hạt dẫn đa số của nó lớn, do đó khả năng sinh dòng lớn

- Cực C (Collector): đƣợc gọi là cực thu, vùng này cũng đƣợc pha ít tạp chất (ít hơn vùng E) để có độ dẫn điện tốt

- Cực B (Bazo): đƣợc gọi là cực nền, vùng này đƣợc pha rất ít tạp chất (ít

cm), cực B dùng để điều khiển dòng hạt tải phát ra từ cực E

b Nguyên lý làm việc

Hình 1-9a Cấu trúc của Transistor

loại pnp

Hình 1-9b Ký hiệu của Transistor loại pnp

Hình 1-10a Cấu trúc của Transistor loại

pnp

Hình 1-10b Ký hiệu của Transistor

loại pnp

19

Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy Transistor pnp làm ví dụ

- Trên hình 1-12a, khi tiếp giáp colector không được phân cực, tiếp giáp emitor được phân cực thuận Độ rộng vùng điện tích không gian giữa p và n (còn gọi là vùng nghèo) sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả

là dòng của các hạt đa số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B)

- Khi tiếp giáp emitor không đợc phân cực, tiếp giáp colector phân cực ngược, không có dòng của các hạt đa số (điện tử ở bán dẫn n) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở bán dẫn n) hình 1-12 b

- Trường hợp tiếp giáp emitor phân cực thuận, tiếp giáp colector phân cực ngược hình 1-12c Khi tiếp giáp emitor phân cực thuận, các hạt đa số khuếch tán qua tiếp giáp tới miền bazơ taọ nên dòng IE Tại miền bazơ các hạt đa số này lại chuyển thành các hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB, phần còn lại do độ rộng của miền bazơ rất mỏng, tiếp giáp colector phân cực ngược nên các lỗ trống ở miền bazơ bị cuốn sang miền colector taọ lên dòng Ic Dòng Ic này được tạo bởi hai thành phần: dòng của các hạt đa số từ miền emitor, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở miền bazơ khi cha có sự khuếch tán từ emitor sang)

số khuếch đại dòng điện  của Transistor:  = IC/IB

B của nó

Trong hình 1-13 Transistor có địên áp Ui = 0V nên UB = 0V, transistor

* Trạng thái dẫn bão hoà của Transistor

Để Transistor chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn bão hoà thì ngõ

U 0

2.2.2 Đường đặc tính Von - Ampe của Transistor npn lưỡng cực UJT

a Đặc tính Von - Ampe

Hình 1-13 Trạng thái ngắt của Transistor

Hình 1-14 Trạng thái bão hòa của Transistor

b Các thông số đặc trưng của transistror lưỡng cực:

- Dòng cực đại cho phép: IEmax, IBmax, ICmax

- Công suất tiêu tán cực đại cho phép: ICmax = PCmax / VCE

- Tần số giới hạn: ft

2.3 Transistor trường FET

a Giới thiệu chung:

Khác với transistor lưỡng cực mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) tạo nên, transistor trường (Field Effect Tranzitor - FET), hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường,

độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn được điều khiển nhờ tác dụng của một điện trường ngoài Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo nên

b Transistor hiệu ứng trường FET gồm có hai loại chính:

- FET điều khiển bằng cực cửa tiếp xúc p-n (viết tắt là JFET)

- FET có cực cửa cách ly: Thông thường lớp cách điện là lớp ôxít nên gọi là Metal oxide Semiconductor FET (MOSFET hay MOS) Trong loại tranzitor trường có cực cửa cách điện lại được chia làm hai loại là MOS

có kênh liên tục (kênh đặt sẵn) và MOS có kênh gián đoạn (kênh cảm ứng)

* Transistor hiệu ứng trường JFET:

- Cấu tạo và ký hiệu: Loại FET nối gồm 1 thỏi Si loại N hay P có 2 vùng

bán dẫn khác loại đặt ở 2 bên tạo thành 1 thông lộ hay kênh (Channel) và hình

thành lớp tiếp xúc P-N

Hình 1-15 Đường đặc tính von-ampe loại npn

- Nguyên lý hoạt động của của JFET:

Xét JFET kênh N có cực D nối với dương nguồn, S nối với âm nguồn như hình 1-16a

23

Khi cực G có điện áp âm nối vào chất bán dẫn loại P, sẽ làm cho tiếp giáp P

- N bị phân cực ngược, điện tử trong chất bán dẫn của kênh N bị đẩy vào làm thu hẹp tiết diện kênh, nên điện trở kênh dẫn tăng lên, dòng ID giảm xuống

- Đặc tính của JFET:

Hình 1-16e Đặc tính von-ampe của JFET

* Transistor trường có cực cửa cách ly MOTFET:

- Cấu tạo và ký hiệu Mosfet kênh liên tục:

Hình 1-17 Cấu tạo và ký hiệu MOSFET kênh liên tục

Nền N

Nền P

24

Hình 1-18 Cấu tạo và ký hiệu MOSFET kênh gián đoạn

Từ phiến bán dẫn Si loại P người ta tạo ra trên bề mặt 1 lớp loại N dùng

dùng làm cực nguồn (S) và cực máng (D)

Trên mặt phiến Si được phủ màng SiO2 bảo vệ Phía trên màng này, đối diện kênh dẫn, gắn 1 băng kim loại dùng làm cực cửa Thông qua cửa sổ khoét xuyên màng SiO2 ở vùng thích hợp, người ta phun kim loại tạo tiếp xúc tuyến tính với 2 vùng N+

dùng làm đầu dẫn ra cho cực S và cực D Hình thành MOSFET kênh có sẵn loại N

- Nguyên lý hoạt động : Xét hoạt động của MOSFET kênh N trong mạch

điện

điện tử của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N và khi lực hút đủ lớn thì

số điện tử bị hút nhiều hơn, đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N và kênh dẫn được hình thành

Khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng lớn Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi

là điện áp ngưỡng UGS(T) hay UT Khi UGS < UT thì dòng cực máng ID = 0 Đặc tính của MOSFET:

* Nhận xét chung về JFET và MOSFET:

JFET và MOSFET hoạt động dựa trên sự điều khiển kênh dẫn bởi điện trường (điện trường này do điện áp trên hai ngõ vào sinh ra, còn dòng điện vào luôn luôn xấp xỉ bằng không Do đặc điểm này, người ta xếp transistor

có quá trình sản sinh và tái hợp của hai loại hạt dẫn cho nên tham số của FET ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Tạp âm nôi bộ bé hơn ở BJT

Ngõ vào của FET có điện trở rất lớn, dòng điện vào gần như bằng không nên mạch hầu như không tiêu thụ năng lượng Điều này đặc biệt thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, hoặc nguồn có nội trở lớn Vai trò của nguồn và cực máng có thể thay đổi cho nhau mà tham số của FET thay đổi không đáng kể

Kích thước của các cực S, G, D có thể giảm xuống rất bé (dựa trên công nghệ MOS), thu nhỏ kích thước một cách đáng kể và nhờ đó FET thường rất thông dụng trong các vi mạch có mật độ tích hợp cao

Cũng như BJT, FET có thể mắc theo 3 sơ đồ cơ bản:

+ Mạch nguồn chung (S.C)

+ Mạch máng chung chung (D.C)

+ Mạch cực cửa chung (G.C)

2.3 Thyristor

2.3.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ký hiệu

a Cấu tạo và ký hiệu

I D (mA )

* Nguyên lý làm việc loại điều khiển từ anot:

Đưa thêm một cực G (gate) vào n1

Khi có điện trường UAK>0, có dòng điện iAG cặp bán dẫn p1, n1 thành dây dẫn, khi đó A coi như được đặt trực tiếp vào p2, khi đó xuất hiện dòng iAK Khi đã có dòng iAK, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng thái ban đầu khi ngưng dòng điện

Hình 1-21 Nguyên lý làm việc loại điều khiển từ anot

* Nguyên lí làm việc loại điều khiển từ catot:

Đưa thêm một cực G (gate) vào p2

Khi có điện trờng UAK>0, có dòng điện iGK cặp bán dẫn p2, n2 thành dây dẫn, khi đó K coi như được đặt trực tiếp vào n1, khi đó xuất hiện dòng iAK Khi đã có dòng iAK, dòng điều khiển không còn ý nghĩa nữa Các chất bán dẫn p,n chỉ trở về trạng thái ban đầu khi ngưng dòng điện

giai đoạn này mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor

Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Thyristor Khi này cả hai mặt ghép đã trở thành mạch dẫn điện Dòng điện chạy qua Thyristor chỉ còn bị han chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ, Thyristor được giữ ở trạng

Đoạn 4 ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược Dòng

28

điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc độ, động năng lớn lên bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử, tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử khác trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chạy

điện ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép

Một trong những biện pháp mở Thyristor đơn giản nhất được trình bày trên

AK

I I

+ Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng)

Hình 1-24 Sơ đồ mở Thyristor

29

tính cực UAK, đang có mặt tại p1, n1, p2 bây giờ đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chạy từ catốt về anốt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài Lúc đầu của quá trình,

từ t0 đến t1 dòng điện

ngược khá lớn, sau đó

J1 và J3 trở nên cách

điện Còn lại một ít điện

tử bị giữ lại giữa hai

< 0  Điều kiện để Thyristor khoá

Sơ đồ trên hình 1-25 cho phép khoá Thyristor một cách tự động

Tụ C được nạp đến giá trị E bản cực dương ở B, bản cực âm ở A

c Các thông số kỹ thuật của thyristor

- Dòng điện trung bình của Thyristor Itb (A)

Hình 1-25 Khóa Thyristor

30

- Dòng điện điều khiển thyristor Ig(A)

- Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor tr(µs)

- Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/ µs)

- Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/ µs)

2 4 Triac

2.4.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ký hiệu

a Cấu tạo và ký hiệu

Triac là thiết bị bán dẫn 3 cực, 4 lớp, có đường đặc tính von-ampe đối xứng

Cấu trúc và ký hiệu được vẽ trên hình 1-26a, 1-26b

Đối với Triac người ta không dùng thuật ngữ anốt và catốt mà dùng

Có 4 tổ hợp điện thế có thể mở Triac cho dòng chạy qua:

áp ngoài đủ lớn làm cho barie này cao đến mức hút vào những điện tích tối thiểu

các nguyên tử (Si) trong vùng, kết quả là một phản ứng dây chuyền thì T’ mở cho dòng chạy qua

để điều khiển xung cho T1, T2 qua hai diode D1, D2

Hình 1-27 Đường đặc tính von-ampe của Triac

Làm việc tương như triac

Khoá K hở, hai tiristor không điều khiển đề khoá

Khoá K đóng: Điện thế A1 dương, có dòng điện i1 (nét đứt mảnh) làm cho T1 có dòng điện điều khiển, T1 dẫn, có dòng điện tải theo chiều trên xuống Điện thế A2 dơng, có dòng điện i2 (nét liền) làm cho T2 có dòng điện điều khiển, T2 dẫn, có dòng điện tải theo chiều dới lên

b Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sơ đồ sử dụng hai triac:

- Cấu tạo: gồm một triac được mắc như sơ đồ, khóa K để điều khiển triac qua điện trở R

Hình 1-29 Công tắc tơ tĩnh sử dụng triac

- Nguyên lý hoạt đông:

Khoá K hở, triac không điều khiển bị khoá

Khoá K hở, triac không điều khiển bị khoá

cho T dẫn, có dòng điện tải theo chiều trên xuống

dẫn, có dòng điện tải theo chiều dưới lên

* So sánh ưu nhược điểm của công tắc tơ tĩnh:

Công tắc tơ có tiếp điểm Công tắc tơ tĩnh

33

An toàn khi cắt điện

Có khả năng quá tải lớn

Tổn hao sinh nhiệt nhỏ

Làm việc với mọi dạng dòng điện

Không bị ảnh hưởng trong môi trường nhiều bụi

Tần số và số lần đóng cắt không giới

hạn

Có hồ quang nên dễ cháy

Mau hỏng khi nhiều bụi

Tần số và số lần đóng cắt giới hạn

Lực đóng cắt lớn

Không an toàn khi cắt điện Không khả năng quá tải Tổn hao sinh nhiệt lớn

Chỉ làm việc ở dòng điện xoay chiều

Bảng 1-2 Bảng so sánh công tắc tơ tĩnh và công tắc tơ có tiếp điểm

- Một số công tắc tơ tĩnh điển hình trong công nghiệp:

Hình 1-30 Một số công tắc tơ tĩnh điển hình trong công nghiệp

- Sơ đồ cho trường hợp nguồn ba pha:

Hình 1-31 Một số công tắc tơ tĩnh ba pha điển hình trong công nghiệp

- Phạm vi ứng dụng điển hình:

(3-30)V

+

Khi tần số và số lần đóng cắt lớn: điều khiển nhiệt độ của các lò nhiệt…

Câu hỏi ôn tập bài 1 Câu 1 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của Dide công suất? Câu 2 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của Transistor công suất? Câu 3 Trình bày đặc tính von – ampel của Transistor công suất?

Câu 5 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của Thyristor công suất? Câu 6 Nêu nguyên tắc dẫn và khóa của Thyristor công suất?

Câu 7 So sánh sự giống nhau và khác nhau của Thyristor công suất và Transistor công suất?

Câu 8 Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của Triac công suất? Câu 9 So sánh ƣu nhƣợc điểm của của Triac và hai Thyristor mắc song song?

Ứng dụng cơ bản nhất của mạch chỉnh lưu là trích xuất thành phần điện một chiều hữu dụng từ nguồn xoay chiều Thực ra hầu hết các ứng dụng điện tử

sử dụng nguồn điện một chiều, nhưng nguồn cung cấp lại là dòng điện xoay chiều Vì thế các mạch chỉnh lưu được sử dụng bên trong mạch cấp nguồn của hầu hết các thiết bị điện tử

Mạch biến đổi điện một chiều từ điện áp này sang điện áp khác sẽ phức tạp hơn Một trong những phương pháp đổi từ điện một chiều ở điện áp này sang điện một chiều ở điện áp khác là: đầu tiên chuyển từ một chiều thành xoay chiều, (dùng một mạch nghịch lưu) sau đó đưa qua máy biến áp để thay đổi điện

áp, và cuối cùng là chỉnh lưu lại thành điện một chiều

Các mạch chỉnh lưu cũng được ứng dụng trong mạch tách sóng các tín hiệu

vô tuyến điều biến biên độ Tín hiệu có thể cần hoặc không cần khuếch đại trước khi tách sóng Nếu tín hiệu nhỏ quá, phải sử dụng các diode có điện áp rơi rất thấp Trong trường hợp này các tụ và điện trở tải phải lựa chọn cẩn thận cho phù hợp Trị số tụ điện thấp quá sẽ làm cho sóng cao tần lọt sang đầu ra Chọn cao quá, nó có thể nạp đầy và giữ nguyên điện áp đã được nạp

Các mạch chỉnh lưu cũng được sử dụng để cấp điện có cực tính cho máy hàn điện Các mạch như thế này đôi khi thay thế các diode trong cầu chỉnh lưu bằng các Thyristor Các mạch này sẽ có điện áp ra phụ thuộc vào góc kích vào cực điều khiển

36

- Thiết kế được biến áp cung cấp mạch chỉnh lưu

- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo

an toàn, tiết kiệm

Nội dung chính:

1 Khái niệm chung

1.1 Định nghĩa và cấu trúc

- Định nghĩa: Chỉnh lưu là thiết bị biến đổi dòng điện (điện áp) xoay

chiều thành dòng điện một chiều

* Cấu trúc chỉnh lu nh hình vẽ:

Hình 2-1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

- U1, P1: Nguồn và công suất xoay chiều đầu vào

- BA: Máy biến áp dùng để biến đổi điện áp xoay chiều

- U2, P2: Nguồn và công suất xoay chiều sau máy biến áp

- CL: Bộ chỉnh lưu

- U-, P-: Nguồn và công suất một chiều sau chỉnh lưu

- Lọc: Bộ lọc san phẳng điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu

1.2 Phân loại mạch chỉnh lưu

- Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…

- Theo loại van:

+ Toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển

+ Toàn tiristor là chỉnh lưu điều khiển

- Một nửa chỉnh lưu, một nửa diod là chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh

lưu điều khiển không đối xứng)

- Phân loại theo sơ đồ mắc van: hình tia, hình cầu

- Phân loại theo công suất

1.3 Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu

- Những thông số có ý nghĩa quan trong để đánh giá chỉnh lu bao gồm:

+ Điện áp tải:

+ Dòng điện tải: Id = Udc/Rd

+ Dòng điện chạy qua van: IV = Id/m ;

+ Điện áp ngược của van: UN = Umax

0

.

2

2 1

d sd BA BA

37

+ Công suất biến áp:

+ Số lần đập mạch trong một chu kì: m

+ Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải

1.4 Nguyên tắc dẫn của các van dẫn

- Nhóm van nối chung catod (K):

+ Nguyên tắc diode dẫn: Điện áp anode van nào dương hơn diode ấy dẫn, U AK  0 Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode đồng nhất + Nguyên tắc dẫn và điều khiển tiristor:

Hình 2-2 Nhóm catot chung

- Nhóm van nối chung anod (A)

+ Nguyên tắc diode dẫn: Điện áp catot van nào âm hơn diode ấy dẫn 0



AK

U Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anot âm nhất

+ Nguyên tắc dẫn và điều khiển tiristor:

Hình 2-3 Nhóm anot chung

2 Mạch chỉnh lưu không điều khiển

2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển

Hình 2-4 Sơ đồ mạch và điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu

- Xét trong khoảng ( 0   ) điện áp dương đặt lên anot của Diode nên

+ Dòng điện chạy qua diode: ID = Id

+ Điện áp ngược của van: Ungmax = Umax

+ Công suất biến áp:

b Xét trường hợp tải điện cảm:

- Do có tích luỹ và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp

có dạng như hình vẽ, vì khi có dòng điện biến thiên chạy trong cuộn dây sinh ra

1 sức điện động

dt

di L

+ Dòng điện chạy qua diod: ID = Id

+ Điện áp ngược của van:

+ Công suất máy biến áp:

2

cos 1 45 , 0

sin 2 2

1

2 0

0

2 sin 2 0 , 45 2

2

1

U U

t d t U

U d       





d d BA

Hình 2-5 Sơ đồ mạch và điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu tải điện cảm

2.2 Chỉnh lưu không điều khiển cả chu kỳ với biến áp có trung tính

a Xét trường hợp tải R:

- Nguồn cung cấp:

t Sin

U

u21  2 2  (V);

t Sin

âm nên điện áp dương đặt lên

anot của diot D1 nên UAK > 0

do đó D1 dẫn, trong khi dó van

uD2 =u22 –u21 = -2 2U2Sint, Ungmax = -2 2U2

Trong khoảng:(   2  ) u21 âm, u22 dương nên điện áp dương dặt lên

Do có tích luỹ và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp

có dạng như hình vẽ, vì khi có dòng điện biến thiên chạy trong cuộn dây sinh ra

W ®t = Li2/2