LÝ thuyết điện tử công suất

a.Phân cực thuận: Đặt vào lớp chuyển tiếp P-N một điện trường sao cho miền bán dẫn P được nối nới cực dương, miền bán dẫn N được nối với cực âm.. b.Phân cực ngược: Đặt vào chuyển t

http://www.ebook.edu.vn - 1 -

PhÇn lý thuyÕt ( 40 c©u)

1 Trình bày về sự phân cực của mặt ghép P-N

Khi chuyển tiếp P-N có điện áp đặt vào nó sẽ mất trạng thái cân bằng.Tùy theo cực tính đặt vào miền P, N mà ta có phân cực thuận hay phân cực ngược

a.Phân cực thuận:

Đặt vào lớp chuyển tiếp P-N một điện trường sao cho miền bán dẫn

P được nối nới cực dương, miền bán dẫn N được nối với cực âm Khi đó điện trường tiếp xúc và điện trường ngoài E ngược chiều nhau ( thông thường E>Etx), dòng điện i chảy rất dễ dàng trong mạch Trong trường hợp này, điện trường tổng hợp 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 Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế

b.Phân cực ngược:

Đặt vào chuyển tiếp P-N một điện trường ngoài sao cho miền bán dẫn

P được nối với cực âm của nguồn, miền bán dẫn N được nối với cực dương

P

N

+ E

http://www.ebook.edu.vn - 2 -

của nguồn Khi đú ta núi chuyển tiếp P-N phõn cực ngược Điện trường

ngoài E tỏc động cựng chiều với điện trường nội Etx Điện trường tổng hợp

cản trở sự di chuyển của cỏc điện tớch đa số Cỏc điện tử của miền N chạy

thẳng về phớa cực dương của nguồn E, khiến cho điện thế miền N đó cao (so

với vựng P) lại càng cao hơn Vựng chuyển tiếp, cũng là vựng cỏch điện lại

càng rộng ra Khụng cú dũng điện nào chảy qua mặt ghộp P-N

2 Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của điốt

Cấu trúc và ký hiệu

Điốt gồm 2 điện cực, điện cực được nối với bỏn dẫn loại P được gọi là

anốt (A), điện cực được nối với miền N được gọi là katốt (K)

Dũng điện chảy qua điốt làm điốt núng lờn, chủ yếu tại vựng chuyển

tiếp, Đối với điốt loại Si, nhiệt độ mặt ghộp Tj cho phộp là 200°C.Vượt quỏ

nhiệt độ này điốt cú thể bị phỏ hỏng Để làm mỏt điốt, người ta thường dựng

cỏnh tản nhiệt được quạt mỏt với tốc độ giú 10m/s, hoặc cho nước hay dầu

biến thế chảy qua cỏnh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tựy theo dũng điện

Đặc tớnh vụn-ampe của điốt

Gồm 2 nhỏnh: nhỏnh thuận (1) và nhỏnh ngược (2)

Dưới điện ỏp U>0, điốt phõn cực thuận, barie điện thế giảm xuống gần

bằng 0 Khi tăng U, lỳc đầu dũng tăng từ từ, sau khi U lớn hơn 0, đến khi

điện ỏp thuận cú giỏ trị cỡ khoảng 0.7V đối với Si và khoảng 0.3V với Ge

Khi điện ỏp thuận vượt quỏ giỏ trị này thỡ dũng thuận tăng một cỏch đỏng kể,

đường đặc tớnh cú dạng hàm mũ

Khi điện ỏp U<0, điốt bị phõn cực ngược Khi tăng |U|, dũng

điện ngược cũng tăng từ từ đến khi |U|>0.1V, dũng điện ngược dừng lại ở giỏ trị vài chục mA Dũng điện này sẽ phỏ hỏng điốt, vỡ vậy để

bảo vệ điốt người ta chỉ cho chỳng làm việc dưới điện ỏp U=(0.7ữ0.8V)Uz

3 Trình bày cấu trúc, ký hiệu,đặc tính V-A của Transitor l−ỡng cực

N

P

JA

K

A

K

http://www.ebook.edu.vn - 3 -

Transito lưỡng cực là một linh kiện bỏn dẫn gồm cỏc miền bỏn dẫn tạp chất P,N xen kẽ nhau Tựy theo trỡnh tự của miền P và N ta cú 2 loại cấu trỳc điển hỡnh là PNP hoặc NPN, dựng để đúng, cắt dũng điện một chiều cú cường độ tương đối lớn

Hệ số khuyếch đại dũng, kớ hiệu là β=10ữ100 Điện ỏp Vbe≈1V,

Vcesat=(1ữ1.5)V

Cụng suất tổn thất trong transito, khi làm việc với tải xỏc định, nhỏ hơn nhiều lần so với cụng suất tổn thất khi transito chuyển trạng thỏi (chuyển từ trạng thỏi cắt sang trạng thỏi đúng và ngược lại) Tớch của cụng suất chuyển trạng thỏi pc, với thời gian chuyển trạng thỏi tc là năng lượng tổn thất trong một lần chuyển trạng thỏi

Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của transito (nhiệt

độ bờn trong của transito khụng được vượt quỏ 200°C) Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do transito chuyển trạng thỏi gõy nờn, người ta thường dựng cỏc mạch trợ giỳp, tức là bắt buộc transito làm việc trong điều kiện : f > 5kHz hoặc Vceo ≥ 60V, Ic > 5A

4 Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của Transitor MOS công suất

http://www.ebook.edu.vn - 4 -

Transito MOS gồm cú 3 cực :

• D (drain) : là cực mỏng.Cỏc điện tớch đa số (điện tử trong thanh n và

lỗ trống thanh p) từ thanh bỏn dẫn chảy ra mạng

• S (source) : là cực nguồn.Cỏc điện tớch đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bỏn dẫn

• G (gate) : là cực cổng Cực điều khiển

Khỏc với cỏc transito lưỡng cực điều khiển bằng dũng bazơ, transito MOS được điều khiển bằng điện ỏp đặt lờn cực cổng

Transito MOS tỏc động rất nhanh, cú thể đúng, mở với tần số trờn 100kHz Khi transito MOS dẫn dũng thỡ điện trở của nú khoảng 0.1Ω đối với MOS-100V và khoảng 1Ω đối với MOS-500V

Đặc tớnh V-A : Bỡnh thường khụng cú dũng điện qua kờnh (ID=0), điện trở giữa D và S rất lớn

Khi cấp nguồn điện VDS>0, dũng trờn cực mỏng ID tăng dần Khi VDS

đạt tới giỏ trị bóo hũa IDSbh

5 Trình bày cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của tiristo

http://www.ebook.edu.vn - 5 -

Đặc tính V-A của tiristo gồm 4 đoạn

Đoạn 1 : ứng với trạng thái khóa của tiristo, chỉ có dòng điện rò chảy qua tiristo Khi tăng U đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện, tiristo chuyển sang trạng thái mở

Đoạn 2 : ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện

áp đặt trên tiristo Đoạn 2 còn được gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3 : ứng với trạng thái mở của tiristo Lúc này cả 3 mặt ghép đã trở thành dẫn điện Dòng điện chảy qua tiristo chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơi trên tiristo rất nhỏ, khoảng 1V Tiristo được giữ ở trạng thái mở chừng nào i còn lớn hơn dòng duy trì IH

http://www.ebook.edu.vn - 6 -

Đoạn 4 : ứng với trạng thái tiristo bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến Uz dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt, măt ghép bị chọc thủng, tiristo bị hỏng

6 Tr×nh bµy vÒ qu¸ tr×nh më cho dßng ch¶y qua cña Tiristo

Khi cho 1 xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K),các điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến đây, một số ít trong chúng chảy vào nguồn Ug hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần lớn 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 Si, tạo nên những điện tử tự so mới

Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên

tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng ngiều điện tử chảy vào N1, qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ 1 điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn

bộ mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100μs

Điện trở thuận của tiristo khoảng 100kΩ khi còn ở trạng thái khóa, trở thành khoảng 0.01Ω khi tiristo mở cho dòng chảy qua

Hình vẽ trên là một biện pháp mở tiristo đơn giản Khi ấn vào K1, nếu

Ig ≥ Igst thì T mở Thường lấy Ig = (1.1÷1.2) Igst, Igst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu tiristo

Khi đặt tiristo dưới điện áp UAK > 0 tiristo ở tình trạng sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi lệnh - tín hiệu Ig ở cực điều khiển

7 Tr×nh bµy vÒ qu¸ tr×nh kho¸ kh«ng cho dßng ch¶y qua cña Tiristo

http://www.ebook.edu.vn - 7 -

+ Đặt một điện ỏp ngược lờn tiristo (là biện phỏp thường dựng)

Khi đặt điện ỏp ngược lờn tiristo UAK < 0, hai mặt ghộp J1 và J3 bị

phõn cực ngược,J2 bõy giờ được phõn cực thuận Những điện tử, trước thời

điểm đảo tớnh cực UAK, đang cú mặt tại P1, N1, P2 bõy giờ đảo chiều hành

trỡnh, tạo nờn dũng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực õm của nguồn

điện ỏp ngoài

Lỳc đầu của quỏ trỡnh, từ t0 đến t1, dũng điện ngược khỏ lớn, sau đú J1

rồi J3 trở nờn cỏch điện Cũn lại 1 ớt điện tử bị giữ lại giữa 2 mặt ghộp J1 và

J3, hiện tượng khuyếch tỏn sẽ làm chỳng ớt dần đi cho đến hết và J2 khụi

phục lại tớnh chất của mặt ghộp điều khiển

Thời gian khúa toff tớnh từ khi bắt đầu xuất hiện dũng điện ngược t0

cho đến khi dũng điện ngược bằng 0 Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau

đú nếu đặt điện ỏp thuận lờn tiristo, tiristo cũng khụng mở toff kộo dài

khoảng vài chục μs

Cụng thức khúa tiristo : Tiristo mở + UAK < 0 → Tiristo khúa

8 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 1 pha 1/2 chu kỳ khi tải là R

Sơ đồ chỉnh lưu điốt một pha nửa chu kỳ và đặc tớnh làm việc khi tải là R

như hỡnh vẽ

π Trong khoảng 0<θ < π,điện ỏp u2 dương ,tớch cực dương tại điểm

A.Điốt D mở cho dũng chảy qua Nếu xem điện ỏp rơi trờn điốt Ud=0, ta cú:

Điốt D phải chịu điện ỏp ngược với giỏ trị cực đại U= 2U2,trị trung

bỡnh của điện ỏp chỉnh lưu bằng:

U2 = π π∫

0

2 2

9 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 1 pha 1/2 chu kỳ khi tải là R+ L

Sơ đồ chỉnh lưu như hỡnh sau

Theo hỡnh cuộn cảm sinh ra suất điện động tự cảm mỗi khi cú sự biến

thiờn của dũng điện

dt

di L

= +

p U p

I R p I p

L

) )(

(

1

L

R p p

=

ω ω

Đặt

L

R b X R Z

R Z

http://www.ebook.edu.vn - 9 -

Trong khoảng θ 1 < θ < θ 2 dũng isuy giảm s.d.đ tự cảm e tỏc động

cựng chiều với u2 ,cuộn cảm L hoàn lại năng lượng.Vỡ thế điốt D vẫn tiếp

tục mở cho dũng chảy qua trong khoảng π < θ < θ 2 khi mà u2 < 0

Trong một chu kỳ năng lượng cuộn L tớch lũy được khi ităng vừa

bằng năng lượng nú hoàn lại khi i giảm.Phương trỡnh

Ri ud

dt

di

Thực tế đối với mạch R+L thường dựng một điốt hoàn năng lượng Dr

đấu song song ngược với mạch tải,vừa để bảo vệ điốt vừa để duy trỡ được

dũng điện tải trong nửa chu kỳ õm

Khi điện thế điểm B vượt điện thế điểm C khoảng 0.7V thỡ Dr mở cho

dũng tải id chảy qua,id=iD.Điốt Dr làm ngắn mạch mạch tải ud=0

Điốt D chỉ cho dũng chảy qua trong khoảng 0 < θ < π.Trong khoảng

π

θ

π < < 2 dũng tải id do cuộn L cung cấp ,nú phúng năng lượng tớch lũy

được vào mạch LRDr.Nếu dựng cuộn cảm lớn cú thể duy trỡ được dũng id

trong toàn chu kỳ

-Trong một chu kỳ,cuộn L tớch lũy được bao nhiờu năng lượng thỡ nú

hoàn lại bấy nhiờu

10 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 1 pha hai nửa chu kỳ khi tải là R

Viết biểu thức giải tích

2L

θ π 2

11 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 1 pha hai nửa chu kỳ khi tải là R+L.Viết biểu thức giải tích

Ta cú sơ đồ chỉnh lưu như hỡnh vẽ

ư

⋅ +

R e X

R

U

sin sin

2 2 2 2

Đối với nửa chu kỳ đầu tiờn 0 < θ < π,I0=0

D2

D1

id

ud A

12 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 1 pha hai nửa chu kỳ khi tải là R+E.Viết biểu thức giải tích

Ta cú sơ đồ chỉnh lưu như sau

Theo như sơ đồ ta thấy trong khoảng 0 < θ < π,dũng id chỉ xuất hiện khi u21>E

U

Trị hiệu dụng chảy trong cỏc nửa cuộn dõy thứ cấp biến ỏp:

I21=I22=

T R

E U

13 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu cầu điốt 1 pha khi tải là R+E

Theo sơ đồ ta thấy:

Trong khoảng0 < θ < π ,u2 = 2U2 sin ωt dương,tớch cực dương tại điểm A

u2 ≤Ekhụng cú dũng chạy trong mạch tải, tất cả cỏc điốt đều bị khúa.Khi

u2>E,D1,D3 mở cho dũng chảy qua.Ta cú:

Trong khoảng π < θ < 2 π ,điện ỏp

u2<0,tớch cực dương tại điểm B.Điốt D2

và D4 cho dũng chảy qua :

Khi tải là R+E dũng id là dũng giỏn đoạn.Điện ỏp ud=E+R.id đặt trờn phần

ứng động cơ,là điện ỏp nhấp nhụ làm ảnh hưởng đến sự làm việc của động

cơ điện một chiều

14 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 3 pha tia khi tải là R+E Viết biểu

thức giải tích

Sơ đồ chỉnh lưu như hỡnh:

Để cú dũng tải id là dũng liờn tục,phải

thỏa món điều kiện

D1 mở làm cho điện thế điểm M là

uM=uA ,vỡ uA>uB nờn D2 bị khúa

Tương tự ta thấy rằng :

Trong khoảng

6

5 6

π θ

3

π

-3 π

http://www.ebook.edu.vn - 13 -

Trong khoảng

6

9 6

ud gồm cỏc chỏm hỡnh sin tạo nờn

-P,Q,S là giao điểm của cỏc chỏm,là nơi mà một điốt trước đú sẽ mở để nuụi dũng cho tải

Trị trung bỡnh của điện ỏp tải Ud=

π 2

2 6

T R

3 cos 1 2

2 6

π

15 Trình bày sơ đồ chỉnh lưu điốt 3 pha cầu khi tải là R+E Viết biểu thức giải tích

Sơ đồ chỉnh lưu điốt cầu ba pha

Để cú dũng tải id là dũng liờn tục, phải thỏa món điều kiện ud>E

http://www.ebook.edu.vn - 14 -

Hoạt động của sơ đồ

Xét tại thời điểm ứng với θ 1,điện thế tại các điểm A,B,C như sau

uA>uB>uC

Dòng điện tải đi từ điểm A đến điểm C.Điốt D1 mở cho dòng chảy qua,các điốt D3,D5 bị khóa vì điện thế catốt của chúng lớn hơn điện thế anốt của chúng

Tóm tắt hoạt động theo bảng sau:

Khoảng Chiều dòng điện Điốt mở Điện áp tải

-Mỗi điốt cho dòng chảy qua trong một phần ba chu kỳ

-Mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp cho dòng chảy qua trong 2 lần một phần ba chu kỳ:1/3 chu kỳ với điốt trên và 1/3 chu kỳ với điốt dưới

-Trị tức thời của điện áp ud bằng hiệu của trị tức thời điện áp của hai pha đang cấp cho dòng tải

-ud gồm 6 chỏm hình sin tạo nên

-Điện áp ngược lớn nhất mỗi điốt phải chịu:Um= 6U2

-Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud=

π

2 6

-Dòng chảy trong điốt bằng dòng tải: iD=id

-Trị trung bình của dòng tải Id=

16 Tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p läc ®iÖn b»ng tô ®iÖn

http://www.ebook.edu.vn - 15 -

Cung cấp điện áp nguồn là u= 2Usin ωt Khi điốt D mở cho dòng

chảy qua thì : sin θ

Trong các nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, chừng nào u > uc thì

tụ C được nạp điện Nó tích lũy năng lượng (C.uc2)/2

Khi u bắt đầu nhỏ hơn uc thì điốt khóa, tụ điện C phóng 1 phần hoặc tất cả năng lượng vào R

Trị trung bình của điện áp tải là :

θ θ

2

1

d U

Điện áp trên tải là điện áp nhấp nhô Nếu hằng số thời gian RC >> T,

T là chu kỳ dao động của điện áp đầu vào bộ lọc, tức là điốt chỉ nạp điện trong khoảng thời gian rất ngắn so với T thì có thể biểu diễn đường cong ucmột cách gần đúng bằng đường răng cưa

θ

Ud

1 2

Bộ lọc LC được dùng cho thiết bị chỉnh

lưu công suất lớn Bộ lọc này cho phép thành

phần một chiều của điện áp chỉnh lưu đi qua

và ngăn chặn thành phần xoay chiều

Điện áp đầu ra của các bộ chỉnh lưu có thể

được triển khai thành chuỗi Foirie như sau :

• Đối với chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ :

ud U U ωt Ud AC U ωt

π

4 2

2

2 1

6 3

2 3

3

3 2

Ud : giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

Với sóng hài tần số thấp mà XL >> XC thì dòng xoay chiều chảy qua L, C

sẽ quyết định bởi XL Khi đó ta có tỷ số nhấp nhô :

http://www.ebook.edu.vn - 17 -

K n

n K

LC

LC

A LC

LC A

ω

ω

2 2

2 2

=

=

Đối với chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ : n = 2, A = 4/3π

Đối với chỉnh lưu ba pha hình tia : n = 3,

π

8

3 3

Trị trung bình của điện áp tải là : α

πU cos

Ud

2

2 2

R E

U

20 Trình bày chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Trị trung bỡnh của điện ỏp chỉnh lưu tiristo cú dạng Ud = U0cosα

Trong đú :

-U0 phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và điện ỏp nguồn xoay chiều

- α là gúc điều khiển, về nguyờn tắc α = 0 ữ π

Nếu α > π/2 và Ud < 0 thỡ bộ biến đổi khụng cũn cung cấp dũng id

cho mạch tải nữa vỡ tiristo

chỉ cho dũng chảy qua 1

chiều duy nhất từ anốt đến

- Trị số tuyệt đối của trị

trung bỡnh Ud trong nửa

chu kỳ phải nhỏ hơn E

d d

Do góc mở α quá lớn nên tiristo ở trạng thái khóa phải chịu điện áp dương trong phần lớn thời gian, nó chỉ chịu điện áp âm trong góc β, gọi là góc khóa, ứng với thời gian tβ=β/ω

Để đảm bảo cho tiristo được khóa chắc chắn thì tβ phải lớn hơn toff của tiristo Trong thực tế β = π/18

21 Tr×nh bµy vÒ hiÖn t−îng trïng dÉn

Hiện tượng trùng dẫn xảy ra trong các sơ đồ mà cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn bằng hoặc lớn hơn hai Hiện tượng trùng dẫn làm ảnh hưởng đến đặc tính ra của các bộ biến đổi

Xét hiện tượng trùng dẫn trong sơ đồ chỉnh lưu một pha hai nửa chu