Giáo trình lắp mạch điện tử công suất (nghề điện dân dụng) trường cđ cộng đồng lào cai

1 BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔ ĐUN LẮP MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGÀNH/NGHỀ ĐIỆN DÂN DỤNG ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019 2 LỜI GIỚI THIỆU Điệ[.]

BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

BÀI GIẢNG

NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp)

LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019

LỜI GIỚI THIỆU

Điện tử công suất ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế theo phương thức công nghiệp hóa Vì vậy Bài giảng Lắp mạch điện tử công suất không thể thiếu được trong quá trình nghiên cứu học tập của mô đun

Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử công suất tuy nhiên lại không phù hợp với học sinh, sinh viên học nghề Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ dàng tiếp cận tôi viết bài giảng này Bài giảng “ Lắp mạch điện tử công suất” gồm 3 bài:

Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất Bài 2: Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu

Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều

Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn Dù đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn

Lào Cai, ngày … tháng … năm……

Tham gia biên soạn Chủ biên: Phạm Thị Huê

MỤC LỤC Trang

1 Bài 1: Kiểm tra và thay thế các linh kiện điện tử công suất

1 Diode

2 Transistor

3 Thyristor SCR

4 Diac

5 Triac

6 IGBT

7 Mạch ứng dụng

4

4

6

10

12

14

15

16

2 Bài 2: Lắp và khảo sát bộ chỉnh lưu – nghịch lưu

1 Bộ chỉnh lưu

2 Bộ nghịch lưu

20

20

54

3 Bài 3: Điều chỉnh điện áp xoay chiều

1 Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng SCR

2 Điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng triac

59

59

60

Bài 1:

KIỂM TRA VÀ THAY THẾ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1 Diode

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Diode

có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp

UAK dương Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không Cấu tạo và ký hiệu của Diode nh­ trên hình 1.1

1.1 Cấu tạo

Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một Diode Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở

)

Hình: 1.1

a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ

để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng

n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt

độ 250C (hình 1.2)

Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn

Khi lớp tiếp giáp p - n -được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n- điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng điện không thể chạy qua Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích Ta nói rằng điôt bị phân cực ngược

j

U

Hình: 1.2 Sự tạo thành điện thế rào cản trong tiếp giáp p-n

-n

-n

) a

) b

Hình: 1.3 Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

1.2 Đặc tính vôn-ampe của diode:

Một số tính chất của diode trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của diode trên hình 1.4a Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0

Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua diode Dßng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iôt UAK hầu như ít thay đổi Như vậy đặc tính thuận của diode đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ

Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị

nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột,

tính chất cản trở dòng điện ngược của diode bị phá vỡ Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm Ta nói điôt đã bị đánh thủng

Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dïng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức:

u DU D.0r D.I D

Trong đó:

D D I

U r





 là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng

Đặc tính vôn-ampe của các diode thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dòng điện cho phép chạy qua diode và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0 Nghĩa

là, theo đặc tính lý tưởng, diode có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng 

max ng U

0 D

D i

0 D U

D i

Hình 1.4 Đặc tính vôn-ampe của diode:

a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng cảm

2 Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 2.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT

Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Tranzitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương

-n

)

Hình 1.5 a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E) BJT công suất thường là loại bóng ngược Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E

Trong chế độ tuyến tÝnh hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện IC = .IB

Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một phần tử khoá Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:



 C

B

I



 bh C

B

I k I

Trong đó: kbh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hoà Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, UCE.bh

Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito

Tổn hao công suất trên tranzito bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá

Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp E và

B-C đều bị phân cực ngược Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n- Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu

tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB Tranzito

ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện có thể chạy qua Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên tranzito không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định Đó là chế độ mở bão hoà

2.2 Đặc tính đóng cắt của transistor

n U +

t R BC

C

BE C

C

E

B

B R ) t (

uB

1 B U

2 B U

) t (

iC

) t (

iB

) a

) t (

uB 1 B U

2 B U ) t (

uBE

2 B U

V 7 , 0

) t (

iB iB1( t )

) t (

iB2

) t (

uCE n U +

bh C I

) t (

iC

) b

Hình 1.6 Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC Ta phân tích quá trình đóng cắt của một tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và ngược lại Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.12b

a Quá trình mở

Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E Quá trình mở BJT bắt đầu

từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1 Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1 Khi UBE còn nhỏ hơn không , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE Tụ

Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện

áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3) Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT

Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ Quá trình tăng dòng

IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi:

B

* 1 B 1 B

R

U -U

I  Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:

B BC C BE C 1

Trong đó:

iC.BE là dòng nạp của tụ CBE,

iC.BC là dòng nạp của tụ CBC,

iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là

IC(∞) = β.IB1 Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác dụng nữa Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận V× khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ

UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn

Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức:

UCE.bh = Un – IC.bh.Rt

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu tạo của BJT

Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà

b Quá trình khoá BJT

Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá

Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được Dòng

IB ngay lập tức sẽ có giá trị:

B

* 2 B 2 B

R

U U

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2 Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazơ – colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, td(off)

Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –Un Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB

trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khoá lại hoàn toàn

Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2 Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9)

3 Thysistor SCR, Diac, Triac 3.1 Thiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba

tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1.10

1 J

2 J 3 J 1

Q

2 Q +

n

Hình 1.10 Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Đặc tính vôn-ampe của tiristo:

Đặc tính vôn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11) Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp

UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0

1 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua tiristo chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất

lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức

Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max,

sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu khi

đó dòng qua tiristo lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó tiristo sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị

lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện