Bài giảng Hệ thống điện động cơ

Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và trở thành những điện tử trong dải dẫn điện, chừa ra các lỗ trống... 12 tổng số lỗ trống tron[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ

SỐ TÍN CHỈ: 02

LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: CAO ĐẲNG CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên, năm 2015

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 Các khái niệm, quy ước và mã cơ bản

1.1.1 Điện áp

Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện

UAB = VA – VB

và B so với gốc (điểm mát)

Đơn vị: Vôn (V)

1.1.2 Dòng điện

Là dòng chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất, có chiều chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp

Ký hiệu: I

Đơn vị: Ampe (A)

1.1.3 Điện trở

năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch

Ký hiệu: R

Đơn vị: Ôm (Ω)

1.1.4 Nguồn điện

Là nơi chứa các dạng năng lượng khác có thể chuyển hóa thành điện năng Ở đây ta chỉ nói đến nguồn áp

Ký hiệu: E

Đơn vị: Vôn (V)

1.1.5 Định luật Ohm cho một đoạn mạch

Cho một đoạn mạch có điện trở R đặt vào điện áp

U quan hệ giữa dòng điện và điện áp được biểu diễn theo

định luật Ohm: I = U/R

I - dòng điện trong mạch tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ

nghịch với điện trở của toàn mạch

Hình 1.1: Định luật Ohm

1.1.6 Định luật Ohm cho nhánh có nguồn

Hình 1.2: Định luật Ohm cho nhánh có nguồn

Thường điện trở nguồn rất nhỏ khi mạch hở (không tải) I = 0, do đó U = E

Khi điện trở mạch ngoài rất nhỏ so với điện trở trong của nguồn U = 0 gọi

1.1.7 Xung

Là tín hiệu điện áp hay dòng biến đổi theo thời gian dưới dạng rời rạc (gián đoạn) Nó thay đổi một cách đột biến có quy luật hoặc không có quy luật Xung điện

có thể là xung một chiều hay xung xoay chiều

Hình 1.3: Một số dạng xung cơ bản trên ôtô

1.2 Linh kiện điện và điện tử cơ bản

1.2.1 Linh kiện thụ động

1.2.1.1 Điện trở

a Khái niệm

Điện trở có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng tùy theo vị trí của điện trở trong mạch

Điện trở gồm có 3 dạng là:

- Điện trở có trị số cố định

- Biến trở

- Điện trở biến thiên

* Điện trở có trị số cố định

Điện trở có trị số cố định thường được phân loại theo vật liệu cản điện như:

+ Điện trở than tổng hợp (than nén)

+ Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr hoặc manganin, constantan) quấn trên một ống gốm ceramic và phủ bên ngoài là một lớp sứ bảo vệ + Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng: điện trở miếng thuộc thành phần vi điện tử Dạng điện trở miếng thông dụng là được in luôn trên tấm dáp mạch

+ Điện trở cermet (gốm kim loại)

a

b

Hình 1.4: Điện trở có trị số cố định

a – Hình dạng thực tế b – Ký hiệu trong mạch

Dựa vào ứng dụng điện trở được phân loại như liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các đặc tính chính của điện trở tiêu biểu

Loại điện trở Trị số R P t.t.max (w) T o làm việc o C TCR

ppm/ o C Chính xác

Dây cuốn

Màng kim

Bán chính xác

Oxit kim loại

Cermet

Than màng

Đa dụng

Than tổng hợp

Công suất

Dây cuốn

Hình ống

0.1 1.2

10 5

10 15

10 1.5

10 5 2.7 100 0.1 180

1/20 1/2 ở

-55 +145 -55 +145

-55 +150 -55 +175 -55 +165 -55 +130 -55 +275

10

25

200

200

200

500 1500

200

Bắt sườn máy

Chính xác

Màng kim loại

Điện trở miếng

(màng vi điện tử)

1 3.8 0.1 40

20 2M

1 22M

-55 +275 -55 +275 -55 +225 -55 +125

50

20

500

Cách đọc giá trị điện trở cố định:

Giá trị điện trở được ghi trực tiếp:

Hình 1.5: Cách đọc giá trị điện trở

Bảng ghi và đọc giá trị điện trở trực tiếp trên thân theo bảng 1.2

Bảng 1.2: Cách ghi và đọc giá trị điện trở

Giá trị điện trở được sơn bằng mã màu:

Tùy theo số vòng trên điện trở (4, 5 hay 6 vòng), ý nghĩa của từng vòng được minh họa bằng hình vẽ sau:

Hình 1.5: Mã màu điện trở

- Điện trở có 4 màu: đây là điện trở thường gặp nhất

Hình 1.6: Điện trở có 4 vòng màu

Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở

Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

Vòng thứ ba: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở Vòng thứ tư: chỉ sai số điện trở

Ví dụ: Điện trở có 4 màu theo thứ tự : vàng, tím, cam, nhũ, bạc

Giá trị điện trở là:

Vàng Tím Cam Nhũ Bạc

4 7 000 ±10 %

Kết quả : 47.000Ω hay 47kΩ, sai số ±10 %

Hình 1.7: Điện trở có 5 vòng màu

Vòng thứ nhất: chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

Vòng thứ hai: chỉ giá trị hàng trục trong giá trị điện trở

Vòng thứ ba: chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

Vòng thứ tư: chỉ hệ số nhân với số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở Vòng thứ năm: chỉ sai số giá trị điện trở

Ví dụ: Điện trở có 5 màu, theo thứ tự: Nâu, tím, đỏ, đỏ, nâu

Giá trị của điện trở:

Nâu Tím Đỏ Đỏ Nâu

1 7 2 00 ±1 % Kết quả: 17200 Ω hay 17.2 kΩ, sai số ±1 %

* Biến trở:

Biến trở có hai dạng Dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng dây quấn Loại này ít gặp trong các mạch điện trở Dạng thường dùng hơn là chiết áp Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt) Chiết áp có 3 đầu ra, đầu giữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng với hai đầu điện trở

Hình 1.8a:Biến trở

Hình 1.8b:Kỹ hiệu biến trở

+ Điện trở biến thiên: chia các dạng sau

Điện trở nhiệt tecmixto: Đây là một loại linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi

theo nhiệt độ Khi ở nhiệt độ bình thường thì tecmixto là một điện trở, nếu nhiệt độ càng tăng cao thì điện trở của nó càng giảm

Hình ảnh thực tế của điện trở nhiệt tecmixto:

a b

Hình 1.9: Điện trở nhiệt tecmixto a- Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch

Quang trở:

Quang trở: Là một loại điện trở, mà điện trở suất của nó giảm xuống rất nhanh

khi có ánh sáng chiếu vào, làm bằng CdS hoạt dộng trên hiện tượng quang dẫn

a b

Hình 1.10: Quang trở

a – Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch

Đơn vị của điện trở: đơn vị là Ω (Ohm)

1KΩ = 1000Ω

1MΩ = 1.000.000Ω

1.2.1.2 Tụ điện

a Khái niệm

Là một thiết bị mà có thể tích trữ các điện tích khi cấp lên nó một điện áp

Tụ điện là một linh kiện thu động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử được cấu tạo từ hai bản cực làm bằng hai chất dẫn điện (kim loại) đặt song song nhau, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi

Người ta thường dùng các chất: thủy tinh, gốm sứ, mica, giấy, dầu, paraffin, không khí… để làm chất điện môi

Hình 1.11: Cấu tạo tụ điện

Tụ điện được chia thành những loại sau:

Chúng ta đi tìm hiểu từng loại tụ điện một

+ Tụ hóa:

Tụ hóa là loại tụ có phân cực Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người

sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp Thông thường, các loại

tụ hóa thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử dụng bằng các ký hiệu + hoặc - tương ứng với chân tụ

a Hình ảnh thực tế b Ký hiệu

Hình 1.12: Tụ hóa

+ Tụ thường:

Hình 1.13: Ký hiệu trong mạch của tụ thường

+Tụ điện có điện dung thay đổi:

Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được là loại tụ trong

qua trình làm việc ta có thể điều chỉnh thay đổi trị số điện

dung của chúng

Hình 1.14: Ký hiệu trong mạch

b Cách ghi và đọc giá trị tụ điện

Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc

Ghi trực tiếp là cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng Cách này chỉ dùng cho loại tụ điện có kích thước lớn

Tụ điện có tham số ghi theo qui ước thường có kích thước nhỏ và điện dung ghi theo đơn vị đo pF

Có rất nhiều quy ước khác nhau như quy ước mã, quy ước màu … Sau đây ta chỉ nêu một số quy ước thông dụng

+ Ghi theo quy ước số: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen

Ví dụ: Trên thân tụ ghi 47/630, có nghĩa tử số là giá trị điện dung tính bằng pF, 47pF, mẫu số là điện áp làm việc một chiều, 630Vdc

+ Ghi theo quy ước mã: Giống như ở điện trở, mã gồm các chữ số chỉ trị số điện dung và chữ cái chỉ % dung sai

Tụ có kích thước nhỏ thường được ghi theo quy ước sau: Ví dụ trên tụ ghi 204 nghĩa là trị số của điện dung 20.000 pF Vdc

Tụ Tantan là tụ phân cực thường được ghi theo đơn vị µF cùng điện áp làm việc và cực tính rõ ràng

+ Ghi theo quy ước màu: Tụ điện cũng giống như điện trở được ghi theo quy ước màu Quy ước màu cũng có nhiều loại: loại 4 vạch, loại 5 vạch màu Nhìn chung các vạch màu quy ước gần giống điện trở

Hình 1.15: Mã màu của tụ điện

Bảng 1.3: Quy ước mã màu trên tụ điện

ngĩa

Số có nghĩa

Số nhân(pF) Tantan(

UDc(V)

Tụ Tantan

10

100

-

100

2,5%

-

6,3

-

-

-

16

0,5PF 5%

-

20

-

-

-

-

- - -

0,01

-

25

0,25PF

-

-

0,1

-

3

1PF 10%

-

35

-

Bảng 1.4: Bảng phân loại tụ điện theo vật liệu và công dụng

+ Chính xác:

-Mica

-Thủy tinh

-Gốm

1 91000 PF

1 10000 PF

1 1100 PF

100

150 500

-55 125 -55 125 -55 85

-Màng Polystylen

+ Bán chính xác

-Màng chất dẻo

-Màng chất dẻo giấy

(tráng kim loại)

+ Đa dụng

-Gốm Li-K

điện giải rắn có cực tính)

-Màng dính ướt có cực

+ Triệt nuôi

-Giấy

-Mica(hình khuy)

-Gốm

+Thoát

-Giấy

1000 220000 PF

1000 10 F

4700 10 F

10 100000 PF

1 580 PF

5,6 PF 560 F

150 PF 120000 F

5 2400 PF

10000 PF 3 F

100 4500PF

10000 35000PF

200

30

50 400

50 200

10 300

4 85

5 450

100 600

500

500 1500

100

-55 85

-55 125 -55 125

-55 125 -55 125

-55 125 -40 85

-55 125 -55 125 -55 125 -55 85

1.2.2 Linh kiện bán dẫn

1.2.2.1 Chất bán dẫn

Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử kế cận cấu tạo thành 4 liên kết hóa trị Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện

Hình 1.16: Tinh thể chất bán dẫn

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện

tử và làm gãy một số nối hóa trị Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường Tại các nối hóa trị

bị gãy ta có các lỗ trống (hole) Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị

Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7 eV đối với Ge và 1,12 eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị Ta gọi n là mật độ điện tử tự do trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống trong dải dẫn điện Nếu n = p ta gọi chất bán dẫn thuần Thông thường chế tạo loại chất bán dẫn này rất khó khăn

+ Chất bán dẫn loại N:

Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học như Arsenic (As), photpho (P), Antimony (Sb) Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên

tử Si trong mang tinh thể Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, còn dư lại một điện tử của As ở mức năng lượng gần tới dải dẫn nhiệt Ở nhiệt độ thấp chất bán dẫn này chưa dẫn điện

loại N loại P

Hình 1.17: Tinh thể chất bán dẫn

Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trong trong dải hóa trị và điện tử trong dải dẫn điện Ngoài ra, hầu hết các điện tử dư của As đều nhận nhiệt năng để trở thành điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện Do đó tổng

số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trong dải hóa trị, ta gọi là bán dẫn loại N

+ Chất bán dẫn loại P:

Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhóm V, tap pha vào những nguyên tố thuộc nhóm III như Indium (In), Galium (Ga), Nhôm (Al)… Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nó có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể Ba điện tử của nguyên tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si có năng lượng trong giải hóa trị không tạo một nối với Indium Giữa In và Si có một trạng thái năng lượng trống (lỗ trống)

Khi ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và trở thành những điện tử trong dải dẫn điện, chừa ra các lỗ trống Do đó

tổng số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện Ta gọi là những chất bán dẫn loại P

1.2.2.2 Loại tiếp xúc P – N

Tại lớp tiếp xúc xuất hiện các dòng tải điện theo cơ chế khuếch tán: Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ vùng P sang vùng N, các điện tử sẽ khuếch tán từ vùng N sang vùng P Quá trình này hình thành lớp điện tích trái dấu ở vùng gần lớp tiếp xúc và

dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P và tạo nên một hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán của lỗ trống qua lớp tiếp xúc

Hình 1.18: Lớp tiếp xúc P – N

P – N giảm xuống, có một giá trị rất nhỏ gọi là dòng bão hòa Ta gọi là phân cực ngược

Hình 1.19: Phân cực thuận và phân cực ngược

1.2.2.3 Điốt bán dẫn

a Khái niệm chung

Hình 1.20: Điốt bán dẫn

a – Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch

Cấu tạo :

được nối với bán dẫn P và catốt (K) được nối với bán dẫn N

dòng điện chạy qua và lúc này tiếp xúc P – N được phân cực

ngược, dòng điện ngược rất nhỏ chạy qua

Hình 1.21: Cấu tạo điốt

b Đặc tính Vôn – Ampe của điốt bán dẫn

Đặc tính Vôn – Ampe (V – A) biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua điốt với điện áp đặt trên

điốt Si

điốt không được làm việc với dòng điện

Hình 1.22: Đặc tuyến V – A

c Điốt ổn áp

Khi phân cực thuận đặc tuyến của điốt giống hệt điốt thường Khi phân cực ngược ở vùng Zenner, điện thế ngang qua điốt gần như không thay đổi trong khi dòng điện qua nó biến thiên một khoảng rộng

Hình 1.23: Ký hiệu và đặc tuyến V – A của điốt Zenner

d Điốt Tunen (hay điốt xuyên hầm)

Loại điốt này có khả năng dẫn điện cả chiều thuận và chiều ngược Đặc tính V-A của điốt tunen ở phần thuận có đoạn điện trở âm AB Người ta sử dụng đoạn đặc

tuyến AB này để tạo các mạch dao động phóng nạp Điốt tunen có kich thước nhỏ, ổn định cao và tần số làm việc lên tới GHZ

Hình 1.24: Ký hiệu và đặc tính V – A của điốt tunen

e Điốt xung

Điốt xung là điốt làm ở tần số cao khoảng vài chục KHz

Điốt Schốtky là điốt xung điển hình, có thời gian hồi phục rất nhỏ (đổi trạng thái nhanh) nên được

dùng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển

Hình 1.25: Ký hiệu của điốt xung

f Điốt phát quang (LED – Lighting Emitting Diode)

LED là linh kiện bán dẫn quang điện tử Nó có khả năng phát ra ánh sang khi

có hiện tượng tái hợp xảy ra trong lớp tiếp xúc P – N Tùy theo vật liệu chế tạo mà ta

có ánh sang bức xạ có màu khác nhau

a – Hình ảnh thực tế b- Ký hiệu trong mạch

Hình 1.26: Điốt phát quang

g Điốt thu quang (Photo diode)

Điốt thu quang làm việc ở chế độ phân cực nghịch vỏ điốt có một miếng thủy tinh để ánh sang chiếu vào mối P-N dòng điện ngược qua điốt tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu qua điốt

a – Hình ảnh thực tế b – Ký hiệu trong mạch

Hình 1.27: Điốt thu quang

1.2.2.4 Tranzito bán dẫn

a Cấu tạo và ký hiệu trong sơ đồ mạch

Tranzito được chế tạo từ một tinh thể chất bán dẫn có 3 miền pha tập khác nhau

để hình thành hai lớp tiếp xúc P-N phân cực ngược nhau như thế có hai loại tranzito