ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN TỬ

Họ và tên sinh viên: Ngô Minh Việt Lớp: 14TDH1 MSSV : 105140322 I. Mục tiêu 1.1 Mục tiêu chung: Sinh viên nắm được quy trình thiết kế mạch điện tử ứng dụng. Sinh viên rèn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, thi công mạch điện tử. 1.2 Mục tiêu cụ thể: Kiến thức : nắm vững nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển Kỹ năng : phân tích và thiết kế mạch, mô phỏng mạch bằng các phần miềm mô phỏng, xây dựng mạch phần cứng. Thái độ : lên lớp đúng giờ, hoàn thành các phần đồ án đúng giờ, có thái độ tích cực chủ động và tinh thần hợp tác khi làm việc nhóm. II. Nội dung đồ án : “Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha” Sản phẩm của đồ án bao gồm bản thuyết minh và mạch thực tế. Bản thuyết minh gồm các phần sau: Chương I : Nguyên lý hoạt động của mạch Chương II : Thiết kế mạch nguyên lý và mô phỏng mạch. Chương III : Tính chọn linh kiện sử dụng trong mạch. Chương IV : Chế tạo mạch thực tế. III. Tài liệu tham khảo 1 Mạch điện tử. (Trương Văn Tám) 2 Điện tử công suất. (Lê Văn Doanh) 3 Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh). 4 Giáo trình mạch điện tử (Lê Quốc Huy). Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2016. Giáo viên hướng dẫn

Họ và tên sinh viên: Ngô Minh Việt Lớp: 14TDH1 MSSV : 105140322

I Mục tiêu

1.1 Mục tiêu chung:

- Sinh viên nắm được quy trình thiết kế mạch điện tử ứng dụng

- Sinh viên rèn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, thi công mạch điện tử

1.2 Mục tiêu cụ thể:

- Kiến thức : nắm vững nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

- Kỹ năng : phân tích và thiết kế mạch, mô phỏng mạch bằng các phần miềm môphỏng, xây dựng mạch phần cứng

- Thái độ : lên lớp đúng giờ, hoàn thành các phần đồ án đúng giờ, có thái độ tíchcực chủ động và tinh thần hợp tác khi làm việc nhóm

II Nội dung đồ án : “Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha”

Sản phẩm của đồ án bao gồm bản thuyết minh và mạch thực tế

Bản thuyết minh gồm các phần sau:

Chương I : Nguyên lý hoạt động của mạch

Chương II : Thiết kế mạch nguyên lý và mô phỏng mạch.

Chương III : Tính chọn linh kiện sử dụng trong mạch.

Chương IV : Chế tạo mạch thực tế.

III Tài liệu tham khảo

[1] Mạch điện tử (Trương Văn Tám)

[2] Điện tử công suất (Lê Văn Doanh)

[3] Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh)

[4] Giáo trình mạch điện tử (Lê Quốc Huy)

Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2016.

Giáo viên hướng dẫn

Trần Thái Anh ÂuKiểm tra tiến độ thực hiện đồ án của sinh viên:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sản suất Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều Trong khi đó năng lượng điệu một chiều không kém phần quan trọng như:

+ Truyền điện cho động cơ điện một chiều

+ Cung cấp cho các mạch điện tử, sạc acquy

Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ chỉnh lưu.

Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trên tải Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều nhất định như: Diod, Thyristor…

Có 2 loại chỉnh lưu:

+ Chỉnh lưu không điều khiển (Diode) : Không thay đổi được điện áp trên tải + Chỉnh lưu có điều khiển (Thyristor) : Thay đổi được điện áp trên tải.

CHƯƠNG 1 ỨNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

1.1 ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA.

1.1.1 Yêu cầu của mạch điều khiển.

Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai trò chủ đạo quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi

Yêu cầu của mạch điều khiển có thế tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

− Độ rộng xung điều khiển

− Độ lớn xung điều khiển

− Yêu cầu về độ dốc của răng

− Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

− Yêu cầu về độ tin cậy

Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không tự mở khi dòng rò tăng Xung điều khiển ít phụ thuộc vào giao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn Cần khử được nhiều cảm ứng để tránh mở nhầm.

Yêu cầu về lắp ráp và vận hành:

− Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

− Mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao

1.1.2 Nhiệm vụ của mạch điều khiển.

Mạch điều khiển có nhiệm vụ tạo ra các xung ở vào những thời điểm mongmuốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu

Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và

có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa

Chức năng của mạch điều khiển:

+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương củađiện áp đặt trên anot – katot của thyristor

+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor, độ rộng xung

tx < 10µs Biểu thức độ rộng xung:

Trong đó: Idt là dòng điện duy trì của thyristor

di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Đối tượng cần điều chỉnh được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc

1.2 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Mạch điều khiển Thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Song các mạchđiều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có 2 nguyên lý khốngchế ngang và khống chế đứng

Khống chế ngang là phương pháp tạo góc thay đổi bằng cách dịch chuyển điện

áp sang hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa

− Nhược điểm của phương pháp này là góc phụ thuộc vào dạng điện áp và tần

số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp

Uđk ωt Uđk

-Us

điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa

− Phương pháp này có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng (0-180o)

− Có 2 phương pháp điều khiển thẳng đứng là: tuyến tính và arccos.

 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG TUYẾN TÍNH:

Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:

− Điện áp đồng bộ Us, đồng bộ với điện áp đặt trên anod – catod của thyristor,thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh

− Điện áp điều khiển Uđk, là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên

độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh

Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là :

Ud = Uđk – UsKhi Us = Uđk thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển.

Us

Hình 1.1

Như vậy bằng cách làm biến đổi Uđk, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α.

Giữa α và Uđk có quan hệ sau :

Người ta lấy Uđk max = Us max

 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THẲNG ĐỨNG ARCCOS:

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :

− Điện áp đồng bộ Us vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc 2

π

− Us = Um Cosωt

− Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độtheo hai chiều dương và âm Nếu đặt Us vào cổng đảo và Uđk vào cổng khôngđảo của khâu so sánh thì :

Khi Us = Uđk , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái.

Um Cosα = Uđk ; Do đó α = arcos( m

cm U

U

) ; Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = 2

π

; Khi Ucm = - Um thì α = π ;

Hình 1.2

Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết

bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao.

 Nên ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

2.1 MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG:

Trong nửa chu kỳ đầu (UAB > 0), điện áp anod của T1 dương (catod T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn đặt điện

áp lưới lên tải Điện áp tải một chiều trùng với điện áp xoay chiều

Đến nửa chu kỳ sau, điện áp đỏi dấu (UAB < 0), anod của T3 dương catod cảu T4 âm, nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3, T4 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn

để đặt điện áp lưới lên tải Điện áp một chiều trên tải trùng với nửa chu kỳ trước

Điện áp trước và sau khi chỉnh lưu.

Việc điều khiển đổng thời các Thyristor T1, T2 và T3, T4 có thể được thực hiện bằngnhiều cách

2.2 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR

Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạchđiều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển Thyristor.

 NHIỆM VỤ CỦA CÁC KHÂU TRONG HÌNH TRÊN NHƯ SAU:

 Khâu đồng pha:

Tạo điện áp tựa URC (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng phavới điện áp anod của Thyristor

 Khâu so sánh:

So sánh giữa điện áp tựa URC với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện

áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại

 Khâu tạo xung:

Tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trướcdốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển(thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật), đủ độ rộng với độ rộngxung lớn hơn thời gian mở của thyristor, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiểnvới mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn)

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG KHÂU TRONG MẠCH.

.3.1. Khâu đồng pha:

Một số loại sơ đồ khâu đồng pha thường gặp

 Khâu đồng pha dùng điốt và tụ điện:

- Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, số linh kiện ít

- Nhược điểm: chất lượn điện áp tự không tốt

 Khâu đồng pha dùng Transistor và dùng linh kiện ghép quang:

Khâu đồng pha dùng Transistor Khâu đồng pha dùng bộ ghép quang.

Hai loại khâu đồng pha này cho cùng dạng điện áp tự như sau:

Hai loại khâu đồng pha này khắc phục được nhược điểm về dải điều chỉnh của khâu đồng pha dùng điốt và tụ điện nhưng chúng có chung nhược điểm là việc mở, khóa các Transistor trong vùng điện áp lân cận 0 thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp lân cận 0 không được như ý muốn

 Khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT): (Op-Amp)

Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch (cụ thể là KĐTT) vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho chất lượn điện áp tựa tốt

 Vì những ưu điểm trên nên ta chọn loại mạch này trong thiết kế bộ điều khiển.

Sơ đồ khâu đồng pha dùng KĐTT Dạng của điện áp tựa.

Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin , trùng pha với anôt của thyristor , qua khếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc Phần áp âmcủa điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1 , kết quả là A2 bị ngắn mạch ( Urc=0 )Với Urc = 0 trong vùng UB âm Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc

Loại mạch này tuy đơn giản, dễ thực hiện nhưng việc đóng, mở Transistor không có

độ chính xác cao làm cho việc mở Thyristor không được như mong muốn

 Khâu so sánh dùng KĐTT:

Cộng một cổng đảo của KĐTT Hai cổng KĐTT.

KĐTT có hệ sô khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ μV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi Việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý

 Trong phần thiết kế bộ điều khiển này, ta chọn khâu so sánh cộng một cổng đảo của KĐTT.

Vì điện áp tựa có giá trị âm nên khâu so sánh cộng một cổng đảo của KĐTT sẽ thuận tiện trong việc tính toán hơn

Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của A1 Tổng đại số

Urc + Udk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 Trong khoảng thờigian ứng với Udk > Urc , điện áp Ura âm Trong khoảng thời gian tiếp theo, điện áp Udk

và Urc đổi ngược lại , làm cho Ura lật lên dương Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp Ura tương tự

.3.3. Khâu khuếch đại:

Để có xung dạng kim gửi tới Thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), điốt D để bảo

về Transistor và cuộn dây sơ cấp cảu biến áp xung khi Transistor khóa đột ngột

Các dạng khâu khuếch đại phổ biến:

 Khâu khuếch đại dùng Transistor công suất:

Mặc dù có ưu điểm đơn giản, nhưng

sơ đồ này không được dùng rộng rãi, vì

hệ sô khuếch đại của Transistor loại này nhiều khi không đủ lớn để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang

 Khâu khuếch đại dùng Transistor mắc theo kiểu Darlington:

Loại sơ đồ này thường hay được dùng trong thực tế vì có khả năng đáp ứng được yêu cầu khuếch đại công suất khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của Transistor

 Khâu khuếch đại có tụ nối tần:

Sơ đồ có tụ nối tần có thể giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt của Transistor và kích thước dây quấn sơ cấp BAX Tuy nhiên

Transistor chỉ mở trong thời khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chugs bè hơn rất nhiều lần

 Với những ưu nhược điểm như đã nêu, ta chọn sơ đồ khâu khuếch đại bằng Transistor mắc theo kiểu Darlington.

.3.4. Tạo xung chùm điều khiển:

Trong phần này ta chọn bộ tạo xung chùm sử dụng KĐTT

2.4 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

 Từ các khâu đã giới thiệu ở trên ta có sơ đồ mạch điều khiển như sau:

Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với anod của thyristor,qua khuếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB Phần điện ápdương của điện áp chữ nhật UB qua điode D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc.Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1, kết quả là A2 bị ngắn mạch( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc

gián đoạn

Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3 Tổngđại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 Trongkhoảng thời gian từ 0 → t1 với Uđk > Urc , điện áp UD âm Trong khoảng t1 → t2, điện áp

Uđk và Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương Các khoảng thời gian tiếp theo giảithích điện áp UD tương tự

Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao, với điện áp UE trênhình vẽ Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz, ở đây chỉ mô tả định tính

Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào Khi đồngthời có cả hai tín hiệu dương UD , UE (Trong các khoảng t1 → t2 , t4 → t5) ta sẽ có xung

UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến

áp xung, để đưa tới mở thyristor T

Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại cácthời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển, của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tớicuối bán kỳ điện áp dương anôt

Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển cácthyristor rất tiện lợi Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thịtrường

Giản đồ các đường cong mạch điều khiển.

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 3.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH.

3.1.1 Điện trở

− Khái niệm:

+ Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu có vật dẫnđiện tốt thì điện trở nhỏ và ngược lại, vật cách điện có điện trở cực lớn + Điện trở dây dẫn là sự phụ thuộc vào chất liệu và tiết diện của dây dẫnđược tính theo công thức:

Trong đó: R là điện trở có đơn vị là Omh (Ω)

L là chiều dài của dây

S là tiết diện của dây dẫn

− Điện trở thực tế và trong các mạch điện tử:

Hình dáng và kí hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tửkhông phân cực nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử , chúng đượclàm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỉ lệ mà tạo ra các con điệntrở có điện dung khác nhau

Khái niệm: Tụ điện là linh kiện cản trở và phóng nạp khi cần thiết và được đặctrưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp:

XC =

Kí hiệu của tụ ddien trong sơ đồ nguyên lí là:

Hình 3.4 Ký hiệu tụ điện

3.1.4 Diode

Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có 2 cực là Anot

và Ktot Nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều từ Anot (A) sang Ktot (K) và nóđược coi như là van môt chiều trong mạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong cácmáy thu thanh truyền hình, mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp

− Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn.

+ Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫntheo

một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm :+ Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếchtán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Iontrung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữahai chất bán dẫn

Hình 3.5 Cấu tạo diode bán dẫn

Hình 3.6 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn