Giáo trình điện tử công suất 1

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode làø: Dòng điện định mức Iđm A, điện áp ngược cực đại Uz V , Điện áp rơi trên diode ΔU V Một số dạng của diode: Hình 3.4 Một số dạng diode c

CHƯƠNG I: LINH KIỆN CƠNG SUẤT

1 Diode Công Suất:

a Cấu tạo:

Hình 3 1 Cấu tạo và ký hiệu của diode Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp bán dẫn

N và một lớp bán dẫn P ghép lại

Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện Do điện tử có điện tích âm nên chất này được gọi là chất bán dẫn loại N (negative), có nghĩa là âm

Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3 nguyên tử thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể Lỗ trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện Chất này được gọi là chất bán dẫn loại P (positive), có nghĩa là dương

Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu số Với chất bán dẫn loại P thì ngược lại

Ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch tán Các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống Các điện tử của bán dẫn loại

N chạy sang P là nơi có ít điện tử Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về diện tích dương và giàu lên về điện tích âm Còn phía bán dẫn loại N thì ngược lại nên gọi là vùng điện tích không gian dương

Trong vùng chuyển tiếp (-α,α) hình thành một điện trường nội tại Ký hiệu là Ei và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7V đối với vật liệu là Silic) Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số (điện tử của vùng P và lổ trống của vùng

P

d

N

P

N) Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò

b Nguyên lý hoạt động:

a) Phân cực thuận diode b) Phân cực ngược diode

Hình 3.2 Phân cực cho diode Khi đặt diode công suất dưới điện áp nguồn U có cực tính như hình vẽ, chiều của điện trường ngoài ngược chiều với điện trường nội Ei Thông thường U > Ei thì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên diode khoảng 0,7V khi dòng điện là định mức Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế Ta nói mặt ghép PN được phân cực thuận

Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường ngoài sẽ tác động cùng chiều với điện trường nội tại Ei Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điện tích đa số Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dương nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngược Nếu tiếp tục tăng U đến một giá trị ngưỡng Uz, các điện tích được gia tốc, gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đánh thủng

Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức sau:

)1.3(1⎟⎟⎠⎞

Trong đó: IS : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA, e = 1,59.10- 19 Coulomb, k = 1,38.10- 23 là hằng số Bolzmann, T = 273 + t0 : Nhiệt độ tuyệt đối (0 K), t0 : Nhiệt độ của môi trường (0 C), U là điện áp đặt trên diode (V)

Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh:Nhánh thuận, nhánh ngược

Khi diode được phân cực thuận dưới điện áp U thì barie điện thế Ei giảm xuống gần bằng 0 Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn khoảng 0,7 [V] thì I tăng một cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ

Tương tự, khi phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược cũng tăng từ từ Khi U lớn hơn khoảng 0,7 [V], dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục mA và được ký hiệu là IS

Dòng IS là do sự di chuyển của các điện tích thiểu số tạo nên Nếu tiếp tục tăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động năng của chúng tăng lên Khi ⎢U ⎢ = ⎢UZ ⎢thì sự va chạm giữa các điện tích thiểu số di chuyển với tốc độ cao sẽ bẻ gảy được các liên kết nguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và xuất hiện những điện tử tự do mới Rồi những điện tích tự

do mới này chịu sự tăng tốc của điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Silic Kết quả tạo một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ào ạt và sẽ phá hỏng diode Do đó, để bảo vệ diode người ta chỉ cho chúng hoạt động với giá trị điện áp: U = (0,7 → 0,8)UZ

Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng, chủ yếu

ở tại vùng chuyển tiếp Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho phép là 2000C Vượt quá nhiệt độ này diode có thể bị phá hỏng Do đó, để làm mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước hoặc dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode làø: Dòng điện định mức Iđm (A), điện áp ngược cực đại Uz ( V ), Điện áp rơi trên diode ΔU ( V )

Một số dạng của diode:

Hình 3.4 Một số dạng diode

c Các tính chất động học:

Trong quá trình quá độ của diode, quá trình chuyển diode từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt có một ý nghĩa rất quan trọng Hiện tượng này gọi là ngắt hay chuyển mạch diode Khi dòng điện qua diode tắt nhanh (khoảng 10A/μs), quá trình ngắt sẽ không diễn ra như đặc tuyến V-A, quá trình ngắt của diode như hình 3.5

Hình 3.5 Quá trình chuyển mạch của diode Sau khi dòng điện I giảm về 0, dòng qua diode không tắt ngay mà vẫn tiếp tực dẫn

theo chiều ngược tới giá trị IrrM , sau thời gian ngắt trr, khả năng dẫn theo chiều ngược bị

mất, dòng điện qua diode giảm đột ngột về giá trị dòng điện ngược Is Hệ quả của quá

trình này là công suất tổn hao khi chuyển mạch lớn Giá trị tức thời của công suất tổn hao

được tính bằng tích số giữa điện áp và dòng điện qua diode khi chuyển mạch

2 Transistor Công Suất:

a Cấu tạo:

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu Vùng nền

(B) rất mỏng

Hình 3.7 Một số dạng của transistor công suất

b Nguyên lý hoạt động:

Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát

(E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết các điện tử (electron) sau khi qua vùng B

rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron

được giữ lại ở vùng B Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát

b – Cấu tạo của transistor PNP

Hình 3.6 Cấu tạo và ký hiệu của transistor công suất

Hình 3.8 Sơ đồ phân cực transistor

Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp UCC Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B - C rất lớn

Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát IE Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC) Dòng IC gồm hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực phát tới cực thu

Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt Hằng số đã được định nghĩa là α Vậy thành phần chính của dòng IC là αIE Thông thường α = 0,9 → 0,999

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược lại khi IE = 0 Dòng này gọi là dòng ICBO – nó rất nhỏ

- Vậy dòng qua cực thu: IC = αIE + ICBO

c Đặc tuyến V- A của transistor:

Đặc truyến V – A của transistor mắc Emitter chung như hình 3.9 Đặc tuyến V-A của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại và vùng bão hoà

Hình 3.9 Đặc tuyến V – A mạch Emitter chung

C

C E

E

N p

Vùng cấm

Vùng khuếch đại Đường tải tĩnh

VCE

Vcc

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cực cho transistor

ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho transistor ở vùng khuếch đại

Các thông số của transistor công suất: IC: Dòng colector mà transistor chịu được,

UCesat là điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở,

IB = 0, UCEX là điện áp UCE khi bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ≈ 0, tf: Thời gian cần thiết để iC

từ giá trị IC giảm xuống 0, tS: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UCESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên trong transistor Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức:

P = UBE.IB + UCE.IC

- Khi transistor ở trạng thái ngắt: IB = 0, IC = 0 nên P = 0

- Khi transistor ở trạng thái dẫn: UCE = UCESat

Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn Tích của dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển mạch Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc

d Tính chất động của transistor:

Việc khảo sát các hiện tượng quá độ khi đóng ngắt của transistor có ý nghĩa quan trọng Quá trình dòng colector khi kích dạng xung vuông cho transistor như hình 3.10

Hình 3.10 Đáp ứng của transistor khi kích bằng tín hiệu xung vuông

Thời gian đóng tON và thời gian ngắt tOFF khoảng vài μs Một hệ quả bất lợi của trong hiện tượng chuyển mạch của transistor là tạo nên công suất tổn hao khi chuyển mạch lớn do điện áp trên transistor khi chuyển mạch lớn và dòng điện chảy qua transistor lớn Công suất tổn hao trên

transistor khi chuyển mạch sẽ giới hạn tần số đóng ngắt của transistor

3 Transistor Hiệu Ứng Trường (FET):

Transistor hiệu ứng trường FET (Field – Effect Transistor) được chế tạo theo công nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển mạch điện tử có công suất lớn Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển bằng dòng điện, FET được điều khiển bằng điện áp FET gồm các cực chính: cực máng (Drain), nguồn

IB

IC

tt

tON tOFF

(Source) và cửa (Gate) Dòng điện máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa – nguồn

Hình 3.11 Đặc tuyến V – A và ký hiệu của FET FET ở trạng thái ngắt khi điện áp cực cổng Ug < Uthrd (điện áp ngưỡng) Để FET ở trạng thái dẫn, đện áp đặt vào cực G phải liên tục và lớn hơn điện áp ngưỡng Dòng điện chảy trong cực cổng là không đáng kể ngoại trừ dòng điện ở trạng thái quá độ Khi cho tín hiệu điều khiển mở và ngắt dòng qua FET, ở cực cổng sẽ xuất hiệu hiện tượng nạp và phóng điện cho tụ điện ở cực cổng Thờ gian phóng và nạp tụ thường rất nhỏ (khoảng vài ns) tùy thuộc vào FET lón hay nhỏ Điện trở trong của FET khi dẫn điện thay đổi tuỳ vào khả năng chịu áp của FET do đó FET thường có định mức á thấp tương ứng với điện trở trong nhỏ, tổn hao ít Tuy nhiên, do FET có tần số đóng ngắt cao (thởi gian tON và tOFF nhỏ), nên ở định mức từ 300 ÷ 400 V, FET tỏ ra ưu điểm hơn so với BJT ở tần số vài chục KHz

4 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):

IGBT có ký hiệu và đặc tuyến V – A như hình 3.12:

Hình 3.12 Ký hiệu và đặc tuyến V – A của IGBT

Giống như MOSFET, IGBT có tổng trở ngõ vào rất lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng ngắt Giống như BJT, IGBT có sụt áp khi dẫn thấp và khả năng chịu điện áp khóa cao và tương tự như GTO, IGBT có khả năng chịu được điện áp ngược cao Tần số đóng ngắt của IGBT rất cao và khả năng chịu tải lớn

b.Ký hiệu FET kênh N

bão hoà

Vùng cấm Vùng khuếch đại

Hình 3.13 Một số dạng của IGBT

Hình 3.15 Một số dạng của thyristor

b Hoạt động của thyristor:

- Phân cực thyristor:

Hình 3.16 Sơ đồ phân cực thyristor

- Từ sơ đồ thay thế của thyristor ta thấy, khi thyristor bị phân cực ngược (Điện áp âm đặt vào A,

c sơ đồ thay thế

a sơ đồ phân cực thuận b sơ đồ phân cực ngược

điện áp dương đặt vào K) thì Q1 và Q2 không thể dẫn nên không có dòng chảy qua

thyristor, khi đó thyristor ngắt

- Khi được phân cực thuận nhưng chưa có dòng điện dưa vào cực G, Q2 do chưa có dòng điều khiển nên Q2 không dẫn khi đó chưa có dòng chảy qua thyristor khi đó thyristor ở trạng thái sẵn sàng dẫn Khi ta cho vào cực G một dòng điều khiển IG thì Q2 dẫn Khi T2 dẫn, dòng điện chảy qua Q2 chính là dòng cực B của Q1 do đó Q1 dẫn Khi Q1 dẫn, dòng

Ic của Q1 sẽ đưa vào cực B của Q2 Khi Q1 và Q2 dẫn thì dòng điện chảy qua colector của transistor này sẽ là dòng điện chảy vào bazơ của transistor kia vì thế chúng sẽ duy trì lẫn nhau làm cho thyristor dẫn dòng ngay cả khi tín hiệu điều kiển IG không còn Thyristor chỉ có thể ngắt khi dòng điện chảy qua thyristor bằng không hoặc đặt điện áp ngược lên thyristor vì vậy người ta gọi thyristor là linh kiện kích đóng

c Đặc tuyến V-A của thyristor:

Hình 3.17 Đặc tuyến V – A của Thyristor

Đặc tuyến V – A của thyristor gồm 2 nhánh: nhánh thuận và nhánh ngược Ở nhánh nghịch thì đặc tuyến V – A tương tự như của diode Ở nhánh thuận, khi IG = 0 đặc tuyến V – A tương tự như nhánh ngược, khi điện áp đặt lên thyristor lớn hơn giá trị Umax, thì dòng điện chảy qua thyristor tăng nhanh, khi đó thiristor ở trạng thái mất điều khiển và có thể bị phá hỏng Khi IG ≠ 0, tuỳ vào giá trị của IG mà điện áp khóa sẽ thay đổi,

điện áp khóa sẽ giảm khi IG tăng và ngược lại

6 Triac:

Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt-ampe đối xứng, nhận góc mở α cho cả hai chiều Triac được chế tạo để làm việc trong mạch điện xoay

chiều, có tác dụng như 2 SCR đấu song song ngược

Hình 3.17 Cấu tạo và ký hiệu của triac

b Ký hiệu của triac

a Cấu tạo của triac

c Sơ đồ tương đương

Nhánh ngược

Triac hoạt động tương tự như 2 thyristor nhưng cho dòng dẫn theo cả 2 chiều Đặc tuyến V-A của triac như hình 3.18

Hình 3.18 Đặc tuyến V – A của triac

7 Ứng Dụng Của Các linh kiện công suất:

Các khoá điện tử được ứng dụng để làm thiết bị đóng cắt tần số cao trong các hệ thống điều khiển tuần tự như đóng ngắt các van trong hệ thống điều khiển dùng khí nén, đóng ngắt nguồn trong các hệ thống điều khiển nhiệt độ … Ưu điểm khi dùng khoá điện tử

so với khoá điện từ và khoá cơ là khoá điện tử không sinh hồ quang khi đóng ngắt và tần số đóng ngắt cao hơn Đặc biệt, các khoá điện tử được dùng để làm các bộ biến đổi công suất để tạo ra các dạng nguồn công suất lớn cung cấp cho phụ tải như: Chỉnh lưu, nghịch lưu, biến đổi điện áp một chiều, biến đổi điện áp xoay chiều …

Nhánh ngược

CHƯƠNG II: CHỈNH LƯU

I CÁC HỆ THỨC VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN:

1 Trị Trung Bình Của Một Tín Hiệu:

Gọi i(t) là một tín hiệu biến hiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T, trị trung bình của i(t) viết tắt là Id được xác định theo hệ thức:

)1.1()

(

1)(

0 0

T t t

X dt t i T I

Với t0 là thời điểm đầu của chu ký lấy tích phân, X0 = ωt0, X = ωT

2 Trị Hiệu Dụng Của Một Tín Hiệu:

Gọi i(t) là một tín hiệu biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ T hoặc chu kỳ góc X = ωT Trị hiệu dụng của i(t) kí hiệu là I được tính theo hệ thức:

) 2 1 ( )

(

1 )

(

0 0

t t

ì i X dX

X dt t i T I

3 Hệ Số Sử Dụng Công Suất Nguồn:

)3.1(

S

P

=λ Với λ là hệ số sử dụng công suất, P là công suất tiêu thụ thực tế trên tải, S là công suất cung cấp của nguồn

4 Độ Biến Dạng THD:

Là đại lượng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao xuất hiện trong nguồn điện:

2 100 ( 1 4 )

2

í j j

I

I THD

II.1 Vai Trò Của Bộ Chỉnh Lưu:

Bộ chỉnh lưu dùng để chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu được dùng làm nguồn điện áp một chiều, làm nguồn một chiều điều khiển được cho các hệ thống xi mạ, các bộ kích từ cho máy phát, làm các bộ biến đổi công suất trong các hệ truyền động điện động cơ điện một chiều … Công suất của bộ chỉnh lưu có thể lên đến hàng chục MW

Hình 2.1 Chức năng của bộ chỉnh lưu Tuỳ theo cấu tạo và dòng điện lấy ra trên bộ chỉnh lưu, người ta phân chỉnh lưu thành chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển

II.2 Chỉnh Lưu Không Điều Khiển:

Chỉnh lưu không điều khiển là loại chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều có trị trung bình không đổi Loại chỉnh lưu này sử dụng diode làm linh kiện chính

1 Chỉnh lưu một pha:

a Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ:

- Sơ đồ mạch:

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp: u= 2V.sinθ (2.1)

- Phân tích:

• Trường hợp tải R:

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương, diode được phân cực thuận nên diode mở, dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua diode, qua tải và trở về thứ cấp của máy biến áp Khi diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không đáng kể (uD = 0) Điện áp trên hai đầu tải: u d =u= 2Vsinθ ( 2 2 )

Dòng điện chảy qua tải: 2 .sin (2.3)

R

V R

u

d = = θHệ thức (2.3) cho thấy dạng sóng điện áp và dạng sóng dòng điện là như nhau

+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trị âm, diode bị phân cực ngược nên diode ngắt Điện áp trên hai đầu tải: ud = 0, dòng điện chảy qua tải Id = 0 Diode bị

Chỉnh lưu Dòng điện

ud

id

ud

id

đặt một điện áp ngược cực đại bằng giá trị cực đại của điện áp trên 2 đầu thứ cấp của máy biến áp: u d = 2V ( 2 4 )

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.3 dạng sóng điện áp và dòng điện tải

+ Trị trung bình của điện áp trên tải:

Từ dạng sóng điện áp trên tải nhận được, ta có trị trung bình của điện áp trên tải Ud:

) 5 2 (

2 sin

2 2

1 )

( 2

u

+ Trị trung bình của dòng điện chảy qua tải Id:

)6.2(

2

R

V R

)7.2(

2

R

V R

U I

d D

π

=

=

=+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

) 8 2 ( 2

( 2

1 )

( 2

1

0 2 2

0

2

R

V d

i d

i

πθ

θπ

• Trường hợp tải RL:

+ Khi 0 < θ < π: Diode được phân cực thuận, diode mở cho dòng điện chảy qua tải Khi đó điện áp trên tải ud bằng điện áp nguồn u u d =u= 2V sinθ ( 2 10 )

Dòng điện chảy qua mạch được xác định thông qua phương trình cho mạch điện:

) 11 2 ( sin 2

dt

di L i

R

X R

V i

Dòng id bằng không khi θ =λ Từ phương trình (2.12) ta có:

sin

22

R

X R

V i

+ Khi λ < θ < 2π: Diode bị phân cực ngược, diode ngắt Khi đó điện áp trên tải ud = 0

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trị trung bình của điện áp trên tải:

) 15 2 ( ) cos 1 ( 2

2 2

sin 2 2

1 )

( 2

πθθπ

θθπ

π π

2

2)

(2

1

2 2 2

−

−+

=

πθθ

R d

R

X X

R

V d

i I

+ Trị trung bình của dòng điện chảy qua diode: ID = Id (2.17)

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode: U Dmax =Umax = 2V ( 2 18 )

+ Trị hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:

) 19 2 ( )

( 2

1 )

( 2

1

0 2 2

làm diode D0 dẫn,

dòng điện chảy từ cuộn dây L qua diode D0, tiêu tán trên điện trở R và trở về cuộn dây Khi đó, điện áp trên tải ud = 0, diode D ngắt Dạng sóng điện áp và dòng điện tải như hình 2.6

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải khi trong mạch có diode hoàn năng lượng + Trị trung bình của điện áp trên tải:

) 20 2 (

2 sin

2 2

1 )

( 2

u

b Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ:

- Sơ đồ mạch:

Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha hai nửa chu kỳ

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp:

)21.2(sin

2V θ

- Phân tích:

• Trường hợp tải R:

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương, diode D1 và D3 được phân cực thuận nên diode D1 và D3 mở, diode D2 và D4 bị phân cực ngược nên D2 và D4 ngắt Dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua diode D1, qua tải, qua diode D3 và trở về thứ cấp của máy biến áp Khi diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không đáng kể (uD = 0) Điện áp trên hai đầu tải:

) 22 2 ( sin

u

d = = θ+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trị âm, diode D1 và D3 bị phân cực ngược nên diode ngắt, diode D2 và D4 phân cực thuận nên D2 và D4 dẫn Điện áp trên hai đầu tải:

) 24 2 ( sin

2V θ

u

u d = − = −

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải

+ Trị trung bình của điện áp trên tải:

) 25 2 ( 2 2 sin

2

1 )

( 1

u

+ Trị trung bình của dòng điện qua tải:

)26.2(22

R

V R

)27.2(

2

V I

) 28 2 ( 2

21)

(1

V d

• Trường hợp tải RE:

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương

Tuy nhiên trong khoảng 0 < θ < θ1, u < E nên diode D1 và D3 phân cực ngược, D1 và D3 không dẫn, điện áp trên tải ud = E Trong đó θ1 là nghiệm của phương trình:

)30.2(sin

2V θ =E

Khi θ1 < θ < θ2, u > E, diode D1 , D3 được phân cực thuận nên diode D1 và D3 mở, diode D2 và D4 bị phân cực ngược nên D2 và D4 ngắt Dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua diode D1, qua tải, qua diode D3 và trở về thứ cấp của máy biến áp Khi diode dẫn, điện áp rơi trên diode xem như không đáng kể (uD = 0) Điện áp trên hai đầu tải:

) 31 2 ( sin

.2

R

E V

R

u

d = = θ −+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trị âm, phân tích tương tự như trên, diode D2 và D4 sẽ dẫn khi nguồn xoay chiều xoay chiều lớn hơn nguồn sưc điện động E Điện áp trên hai đầu tải:

) 33 2 ( sin

2V θ

u

u d = − = −

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trị trung bình của điện áp trên tải:

(cos ) 2 (2.34)2

2 2sin

.2

1 2sin

.2

1)

(

1

1 1

1 1

0

1

1 2

1

θθ

πθ

θθπ

θθ

θπ

θθ

π

θ π θ

θ θ

π

E

V E

d V E

d V d

u

+ Trị trung bình của dòng điện qua tải:

)35.2(sin

cos22sin

.21)

(

1

1 1

θπ

θθπ

θ θ

π

T R

V d

R

E V

d i

cos 2 2 )

( 2

1

1 1

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

) 37 2 ( 2

max

θ 1 θ 2

+ Trị hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:

)38.2(

2sin

21

)(

E V d

R

E V

d i

πθθπ

θ π θ

θ π

• Trường hợp tải RLE:

+ Từ dạng sóng tín hiệu nhận được ta thấy trong trường hợp tải RE, dòng điện tải bị gián đoạn Để dòng tải là liên tục, ta nối thêm vào mạch tải một cuộn dây L như hình 2.7 - c Khi có cuộn dây L trong mạch, mỗi khi dòng điện chảy qua tải biến thiên thì trên cuộn dây sẽ sinh một nguồn sức điện động cảm ứng

dt

di L

u L = để chống lại chiều biến thiên của dòng điện Sử dụng khai triển Fourier cho tín hiệu điện áp trên tải ud ta nhận thấy ud

gồm 2 thành phần: Phần điện áp một chiều Ud chính là trị trung bình của điện áp trên tải và phần điện áp xoay chiều ua chính là thành phần sóng hài có trong ud

ud = Ud + ua (2.39) Theo nguyên lý xếp chồng thì dòng điện chảy trong mạch tải cũng gồm 2 thành phần: Thành phần một chiều Id là trị trung bình của dòng tải do nguồn một chiều gây nên và thành phần xoay chiều ia do nguồn xoay chiều gây nên Phương trình cho mạch tải:

) 40 2 (

dt

di L E Ri

di L Ri E RI u

a d

dt

di L Ri E RI u

a d

dt

di L Ri

a << nên (2.44) có thể viết lại:

dt

di L

a = Như vậy khi cuộn dây L có giá trị đủ lớn thì toàn bộ điện áp xoay chiều đặt lên cuộn dây

L, dòng điện xoay chiều ia chảy qua tải xem như bằng 0, dòng điện chảy qua tải là liên tục

Từ phương trình (2.43) ta có trị trung bình của dòng điện chảy qua tải:

) 44 2 (

R

E U

d

−

=

Dạng sóng của điện áp và dòng điện tải khi có cuộn dây L:

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải Từ dạng sóng nhận được ta có:

+ Trị trung bình của điện áp trên tải:

) 45 2 ( 2 2 sin

2

1 )

( 1

u

+ Trị trung bình của dòng điện chảy qua diode:

) 46 2 ( 2

d D

I

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

) 47 2 ( 2

1 )

( 1

0

2 0

2

d d

d d I d I i

πθθπ

2 Chỉnh lưu ba pha:

a Chỉnh lưu tia ba pha nhóm Kathode:

- Sơ đồ mạch:

Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của

máy biến áp:

u1 = 2Vsinθ (2.49)

(2.50)

3

2sin2

πθ

π < < , nguồn u1 có giá trị lớn nhất nên diode D1 phân cực thuận, D1 dẫn, D3 và D5 bị phân cực ngược Điện áp trên tải:

) 52 2 ( sin 2

5π <θ < π , nguồn u2 có giá trị lớn nhất nên diode D3 phân cực thuận, D3 dẫn, D1 và D5 bị phân cực ngược

udK

Điện áp trên tải:

)53.2(3

2sin2

9π <θ < π , nguồn u3 có giá trị lớn nhất nên diode D5 phân cực thuận, D5 dẫn, D1 và D3 bị phân cực ngược Điện áp trên tải:

)54.2(3

4sin2

Ta có dạng sóng điện áp chỉnh lưu và dòng điện chảy qua tải:

Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Từ dạng sóng nhận được ta có trị trung bình của điện áp trên tải:

)55.2(2

63sin

.22

3)

(2

6

6 5

π

π π

π π

V d

V d

u

+ Trị trung bình của dòng điện qua tải:

) 56 2 (

R

E U

) 57 2 ( 3

d D

I

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên diode: điện áp ngược đặt lên mỗi diode đúng bằng điện áp dây, nên ta có điện áp ngược cực đại đặt lên diode:

) 58 2 ( 6

max 12

+ Trị hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:

) 59 2 ( 3 2

1 5 6 6

2 3

2

I d I I

I

π π

θ π

b Chỉnh lưu tia ba pha nhóm Anode:

- Sơ đồ mạch:

Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của

máy biến áp:

u1 = 2Vsinθ (2.60)

(2.61)

3

2sin2

+ Trong khoảng

6

72

πθ

π < < , nguồn u3 có giá trị âm lớn nhất nên diode D2 phân cực thuận, D2 dẫn, D4 và D6 bị phân cực ngược Điện áp trên tải:

)63.2(3

4sin2

7π <θ < π , nguồn u1 có giá trị âm lớn nhất nên diode D4 phân cực thuận, D4 dẫn, D2 và D6 bị phân cực ngược

Điện áp trên tải:

) 64 2 ( sin 2

11π <θ < π , nguồn u2 có giá trị âm lớn nhất nên diode D6 phân cực thuận, D6 dẫn, D2 và D4 bị phân cực ngược Điện áp trên tải:

)65.2(3

2sin2

Ta có dạng sóng điện áp chỉnh lưu và dòng điện chảy qua tải:

Hình 2.15 Dạng sóng điện áp tải và dòng điện chảy qua tải + Từ dạng sóng nhận được ta có trị trung bình của điện áp trên tải:

)66.2(2

633

4sin.22

3)

(2

2

6 7

πθπ

θθπ

π π

π π

V d

V d

+ Trong một chu kỳ 2π, mỗi diode chỉ dẫn dòng trong khoảng góc là

1 5 6

6

2 3

2

I d I I

I

π π

θπ

c Chỉnh lưu cầu ba pha:

- Sơ đồ mạch:

Nguồn xoay chiều 3 pha ở thứ cấp của

máy biến áp:

u1 = 2Vsinθ (2.71)

(2.72)

3

2sin2

Dạng sóng nguồn 3 pha:

Hình 2.14 dạng sóng nguồn xoay chiều 3 pha

Hình 2.16 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

- Gọi hiệu điện thế giữa điểm A với điểm N là udA đây chính là hiệu điện thế trên tải trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha nhóm Anode, hiệu điện thế giữa điểm K với điểm N là udK là hiệu điện thế trên tải trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha nhóm Kathode Ta có điện áp trên tải ud = udK – udA (2.74)

Từ (2.74) ta có trị trung bình của điện áp trên tải:

)75.2(632

632

63

V V

V U

U

ππ

2

12 3 0

2 3

+ Dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.15 Dạng sóng điện áp và dòng tải chỉnh lưu cầu 3 pha

a) Tải R b) Tải RLE Hình 2.16 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển

II.3 Chỉnh Lưu Điều Khiển:

Chỉnh lưu điều khiển là loại chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều có trị trung bình thay đổi được từ Loại chỉnh lưu này sử dụng thyristor làm linh kiện chính trong mạch

5 Chỉnh lưu một pha:

a Chỉnh lưu cầu một điều khiển toàn phần:

- Sơ đồ mạch:

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp: u= 2V sinθ

- Phân tích:

• Trường hợp tải R:

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương, Thyrirtor T1 và T3 được phân cực thuận, thyrirtor T2 và T4 bị phân cực ngược Tuy thyrirtor T1, T3 được phân cực thuận nhưng vì đây là loại linh kiện có điều khiển nên thyristor T1, T3 chưa dẫn, điện áp trên tải ud = 0 Giả sử ở góc 0 < θ = α < π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T1 và T3, T1 và T3 dẫn khi đó điện áp trên tải:

) 80 2 ( sin

u

d = = θ+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trị âm, thyristor T1 và T3 bị phân cực ngược, thyristor T2 và T4 phân cực thuận Giả sử ở góc π < θ = α+π < 2π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T2 và T4, T2 và T4 dẫn khi đó điện áp trên tải:

) 82 2 ( sin

2V θ

u

u d = − = −

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải như hình 2.17:

+ Trị trung bình của điện áp trên tải:

(1 cos ) ( 2 83 )

2 sin

2

1 )

( 1

0

απ

θθπ

θθπ

π α

I

I =

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor: U Dmax =Umax = 2V ( 2 87 )

+ Trị hiệu dụng của dòng điện chảy qua thứ cấp của máy biến áp:

)88.2(4

2sin2

2

12sin

21)

(

π

απ

αθ

θπ

θθπ

π α

π α

i

• Trường hợp tải RLE:

Giả thiết cuộn dây L trong mạch có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương, Thyrirtor T1 và T3 được phân cực thuận, thyrirtor T2 và T4 bị phân cực ngược Tuy thyrirtor T1, T3 được phân cực thuận nhưng vì đây là loại linh kiện có điều khiển nên thyristor T1, T3 chưa dẫn, điện áp trên tải ud = 0 Giả sử ở góc 0 < θ = α < π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T1 và T3, T1 và T3 dẫn khi đó điện áp trên tải: u =u= 2Vsinθ ( 2 89 )

Dòng điện chảy từ thứ cấp của máy biến áp qua T1, qua tải R, qua T3 và trở về thứ cấp của máy biến áp Dòng điện chảy qua tải tăng lên từ giá trị Imin, khi dòng điện qua tải có xu hướng giảm xuống thì cuộn dây L trong mạch sẽ sinh sước điện động cảm ứng chống lại chiều giảm của dòng điện Chính sức điện động cảm ứng này là cho các

thyristor T1, T3 không bị ngắt khi điện áp nguồn giảm xuống bằng 0 thậm chí là chuyển sang âm

+ Trong khoảng π < θ < 2π: điện áp xoay chiều u có giá trị âm, do T2 và T4 chưa dẫn nên thyristor T1 và T3 vẫn được phân cực thuận bởi tổng hợp nguồn xoay chiều và sức điện động cảm ứng trên cuộn dây L nên T1 và T3 vẫn dẫn, thyristor T2 và T4 được phân cực thuận bởi nguồn xoay chiều u Giả sử ở góc π < θ = α+π < 2π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T2 và T4, T2 và T4 dẫn Khi T2 và T4 dẫn, T1 và T3 bị khoá bởi điện áp âm của nguồn xoay chiều, T1 và T3 ngắt, dòng điện chảy qua tải tăng lên, khi đó điện áp trên tải:

) 90 2 ( sin

2V θ

u

u d = − = −

Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện tải:

Hình 2.18 Dạng sóng điện áp và dòng điện tải + Trị trung bình của điện áp trên tải:

) 91 2 ( cos 2 2 sin

2

1 )

(

1

απ

θθπ

θθπ

α π α

α π α

V d

V d

u

Từ (2.83) ta nhận thấy khi 0 < α < π, điện áp trên tải V U d V

ππ

222

2

<

<

−+ Trị trung bình của dòng điện qua tải:

) 92 2 (

R

E U

d

−

=

+ Trị trung bình của dòng điện chảy qua thyristor:

) 93 2 ( 2

d T

I

I =

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor:

) 94 2 ( 2

d

d d I I

I = π∫+α =

α

θπ

b Chỉnh lưu cầu một điều khiển bán phần:

- Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha như hình 2.19:

Giả sử điện áp xoay chiều ở 2 đầu thứ cấp máy biến áp: u= 2V sinθ

- Phân tích:

• Trường hợp tải R:

+ Trong khoảng 0 < θ < π: điện áp xoay chiều u có giá trị dương, Thyrirtor T1 và diode D2 được phân cực thuận, thyrirtor T2 và diode D1 bị phân cực ngược Tuy T1, D2 được phân cực thuận nhưng vì T1 là loại linh kiện có điều khiển nên thyristor T1 chưa dẫn, điện áp trên tải ud = 0 Giả sử ở góc 0 < θ = α < π, ta cho tín hiệu điều khiển mở T1, T1 và D2 dẫn khi đó điện áp trên tải:

u

d = = θ

Hình 2.19 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần