Báo cáo thí nghiệm điện tử công suất

Sinh viên nghành Điện – Điện tử tươnglai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó cần phải tự trang bị chomình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng.. + Khi dòng vào cực tiểu điều k

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoahọc kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thìcác thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều

Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các nghành kinh tế quốc dân và đờisống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạpcủa công nghiệp thì nghành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu tìm

ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiệnđại hóa của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nângcao để đưa công nghiệp công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất

Do đó đòi hỏi phải có thiêt bị và phương pháp điều khiển an toàn, chínhxác Đó là nhiệm vụ của nghành điện tử công suất cần giải phải quyết

Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần có đội ngũ thiết

kế đông đảo va tài năng Là sinh viên Trường CĐCĐ Hải Phòng em luôn

tự hào về ngôi trường của mình Sinh viên nghành Điện – Điện tử tươnglai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó cần phải tự trang bị chomình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy đồ án mônhọc điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH

Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng

là điều kiện để cho sinh viên nghành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiếnthức về điện tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba còn đangngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều, do đócần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo Qua đây cho chúng em

được gửi lời cảm ơn tới thầy Vũ Minh Việt đã tận tình chỉ dẫn giúp

chúng em hoàn thành tốt đồ án này môn học này

Đồ án này hoàn thành không những giúp chúng em có được nhiềukiến thức hơn về môn học mà còn giúp chúng em được tiếp xúc với mộtphương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là sựquan trọng của phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình thực hiện đồ

án là một thời gian thưc sự bổ ích cho bản thân chúng em về nhiều mặt

Hải Phòng: ngày 13 tháng 11 năm 2008

Sinh Viên

Nguyễn Xuân Vĩnh

Nguyễn Minh Châu

Hải Phòng: ngày tháng 11 năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

Vũ Minh Việt

MỤC LỤC

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 2 Nguyễn Minh Châu

Phần I: Giới thiệu đề tài

1 Mục tiêu đề tài

2 Khả năng hệ thống

3 Một số quy ước

4 Phương pháp giải quyết

Phần II: Nội dung.

4.1, Sơ đồ nguyên lý các khối trong mạch

4.1.1, Mạch tạo xung vuông

4.1.2, Mạch tạo xung răng cưa

4.1.3, Mạch có độ rộng xung thay đổi

Phần III: Kết luận và khiến nghị.

Phần IV: Tài liệu tham khảo.

PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

4 Phương pháp giải quyết mạch.

- Mạch chia làm 5 khối nên khi đo mạch ta sẽ đo từng khối xem cóchính xác hay không

PHẦN II: NỘI DUNG

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 4 Nguyễn Minh Châu

2 Nguyên lý các linh kiện.

2.1, Cấu tạo và nguyên lý TL084.

2.1.1, Cấu tạo:

Hình 1 : Sơ đồ cấu tạo TL084

- Gồm 4 cổng được tích hợp trong 1 con IC:

+ Cổng 1: chân 2,3 vào, chân 1 ra

+ Cổng 2: chân 5,6 vào, chân 7 ra

+ Cổng 3: chân 9,10 vào, chân 8 ra

+ Cổng 4: chân 12,13 vào, chân 14 ra

Và chân 4 được nối với +5V, chân 11 được nối với -5V

2.1.2 Nguyên lý hoạt động.

- 4 cổng trong TL084 là 4 cổng khuếch đại thuật toán

- Đây là sơ đồ nguyên lý của 1 cổng trong IC TL084:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý 1 cổng trong TL084.

- Để các cổng cho IC hoạt động ta bắt buộc phải cấp nguồn cho IC, chân

4 nối với +5V, chân 11 nối với -5V

- Các thông số:

+ Giải điện áp nguồn nuôi từ ±3V đến ±18V

+ Tốc độ tăng điện áp là 13V/Ms

2.2, Cấu tạo và nguyên lý IC 74HC08.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 6 Nguyễn Minh Châu

2.2.1, Cấu tạo:

Hình 3 : Sơ đồ chân IC TL084.

TL084 có 14 chân.Chia ra làm 4 cổng:

- Cổng 1: chân 1,2 vào, chân 3 ra

- Cổng 2: chân 4,5 vào, chân 6 ra

- Cổng 3: chân 9,10 vào, chân 8 ra

- Cổng 4: chân 12,13 vào,chân 11 ra

Chân 14 là chân +5V, chân 7 la chân GND

tự như vậy

+ Đây là bảng trạng thái:

Bảng 1 : Bảng trạng thái 74HC08.

Thysistor là phần tử bán dẫn có cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn P-N-P-N tạo ra

ba lớp tiếp giáp p-n J1,J2,J3 Thysistor có 3 cực: anot A, katot K, cựcđiều khiển G

2.3.1, Đặc tính von-ampe của Thysistor.

Đặc tính von-ampe của Thysistor gồm có 2 phần Phần thứ nhấtnằm trong các góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trườnghợp điện áp UAK>0, phần thứ hai nằm trong góc phần thứ III, gọi là đặctính ngược, tương ứng với trường hợp UAK<0

Hình 7: Đặc tính làm việc của Thysistor.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 8 Nguyễn Minh Châu

- Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG=0).

+ Khi dòng vào cực tiểu điều khiển của Thysistor bằng 0 hay hởmạch cực điều khiển Thysistor sẽ cản trở dòng điện tương ứng với cả 2trường hợp là phân cực thuận và phân cực ngược Khi điện áp UAK<0 theocấu tạo bán dẫn của Thysistor 2 lớp J1,J2 đều phân cực ngược, lớp J2phân cực thuận, như vậy Thysistor sẽ giống như 2 Diode mắc nối tiếp và

bị phân cực ngược Qua Thysistor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạyqua, gọi là dòng dò Khi UAK bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rấtlớn

+ Giống như mở đoạn đặc tính ngược cua Diode quá trình bị đánhthủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện

áp UAK xuống dưới mức Ung thì dòng điện cũng không thể giảm về mứcdòng dò Do Thysistor đã bị hỏng

+ Khi tăng điện áp anot-katot theo chiều thuận, UAK>0 lúc đầu chỉ

có một dòng điện rất nhỏ chạy qua gọi là dòng dò Điện trở tương đươngmạch rất lớn Khi tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Chođén khi UAK tăng đến giá trị điện áp thuận lớn nhất Ung sẽ xẩy ra hiệntượng trở tương đương mạch anot-catot đột ngột giảm, dòng điện chạyqua Thysistor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải mạch ngoài Nếukhi có dòng qua Thysistor có giá trị lớn hơn mức dòng tối thiểu gọi làdòng duy trì Idt thì khi đó Thysistor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tínhthuận, giông như đường đặc tính thuận của Diode Đoạn đặc tính chấtdòng có thể có giá trị lớn hơn nhưng điện áp rơi trên anot-catot thì nhỏ vàhầu như không phụ thuộc vào giá trị dòng điện

- Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG>0)

Nếu có dòng điều khiển đua vào giữa cực điều khiển và catot thì quá trìnhchuyển điểm làm việc trên đường đặc tính sẽ xảy ra sớm hơn, trước khiđiện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth,mã

2.3.2, Mở và khóa Thysistor.

Thysistor có đặc tính giống Diode, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạyqua theo một chiều, từ anot đến catot và cản trở dòng chạy theo chiềungược lại Tuy nhiên khác với Diode, để Thysistor có thể dẫn dòng ngoài

điều khiển phải có điện áp UAK>0 còn cần thêm một số điều kiện khác.

Do đó Thysistor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệtvới Diode là phần tử không điều khiển được

+ Phương pháp thứ 2 là đưa một xung dòng điện có giá trị nhấtđịnh vào giữa cực điều khiển sẽ chuyển trạng thái cua Thysistor từ trởkháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot-catot nhỏ Khi đó nếudòng anot-catot nhỏ Khi đó nếu dòng qua anot-catot lớn hơn 1 giá trịnhất định gọi là dòng duy trì thì Thysistor sẽ tiếp tục ở trạng thái mở bándẫn mà không cần đến sự tồn tại của mạch điều khiển nữa Điều nàynghĩa là có thể điều khiển mở các Thysistor bằng xung dòng có độ rộngxung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, sovới công suất của mạch lực mà Thysistor là 1 phần tử đóng ngắt, khốngchế dòng điện

- Khóa Thysistor:

Một Thysistor đang dãn dòng sẽ trở về trạng thái khóa nếu dòngđiện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Tuy nhiên để Thysistorvẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anot-catot lại dương(UAK>0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồihoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình Khi Thysistor dãn dòngtheo chiều thuận 2 lớp tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua

2 lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược Vì vậy

mà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1,J2,J3 Để khóaThysistor lại cần giảm dòng anot-catot về dưới mức duy trì và đặt mộtđiện áp ngược lên anot-catot trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi làthời gian phục hồi Trong thời gian phục hồi có một

-=-==

Dòng điện ngược chạy giữa anot-catot Dòng điện ngược này di tản cácđiện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp cho tj điện tương đương của 2 tiếpgiáp J1,J3, lúc này đang bị phân cực ngược Kết quả là khả năng cản trởdòng điện J1,J3 được phục hồi

2.3.4, Các thông số cơ bản của Thysistor.

a, Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor,IV,trb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thysistor với điềukiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thysistor không vượt quá

1 giá trị cho phép chạy qua Thysistor còn phụ thuộc vào các điều kiệnlàm mát và nhiệt độ môi trường Thysistor có thể được gắn lên các bộ tảnnhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra, Thysistor có thể được làmmát nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt nhanh hơn

b, Điện áp ngược cho phép lớn nhất,Ung,mã.

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thysistor.Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện ápgiữa anot-catot UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,mã Nguồn ra, phải đảmbảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ung,mã phải được cho ítnhất là bằng 1,2-1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp

c, Thời gian phục hồi tính chất khóa cầu Thysistor, Tr.

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa ant-catot củaThysistor sau khi dòng anot-catot đã bằng không trước khi lại có thể cóđiện áp UAK dương mà Thysistor vẫn khóa, Tr là một thông số rất quantrọng cua Thysistor nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặcnghịch lưu độc lập, trong đóluuôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quátrình khóa phải bằng 1,5-2 lần Tr

-=-==

Không gian này có thể coi như một dòng điện có tụ điện có điện dung C i2.

Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trịđáng kể, đóng vai trò như một dòng điều khiển Kết quả là Thysistor cóthể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực G của Thysistor

d, Tốc độ tăng dòng điện cho phép, di/dt.

Khi Thysistor bắt đầu mở không thể không phải mọi điểm trên tiếtdiện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạyqua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực G nhất, sau đó sẽ lan sang cácđiểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ dòng quá lớn có thể dẫn đếnmật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát hiện nhiệt cục

bộ tiết diện tinh thể bán dẫn Trong các bộ biến đổi phải luôn luôn có biệnpháp đảm bảo tốc độ tăng dòng ở dưới giá trị cho phép Điều này đạtđược nhờ mắc nối tiếp với các phần tử bán dẫn những điện kháng nhỏ, lõikhông khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyếnđược dùng phổ biến vì nó có cấu tạo đơn giản, dễ dàng thay đổi Xuyếnferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng trung bình quathanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Vì vậy

cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạyqua dây dẫn.

+ Xung điều khiển được truyền qua biến áp xung cách ly giữamạch điều khiển và mạch động lực

4.1, Sơ đồ nguyên lý các khối trong mạch:

4.1.1, Mạch tạo xung vuông:

Khi tín hiệu điện áp được đưa vào(tín hiệu Sin) qua điện trở làmhạn dòng và Diode D1 và D2 mắc song song ngược có tác dụng bảo vệtín hiệu đầu vào của thuật toán và tín hiệu vào hình sin được chỉnh lấyphần điện áp mở của Diode, điện áp này luôn duy trì cỡ khoảng 0,7V Khi

đố tín hiệu đo được có dạng hình vuông nhưng chưa được chuẩn

Khi điện áp làm cho Diode mở sẽ làm cho áp đi về GND do vậy nóchỉ lấy điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 0,7V Do vậy tín hiệu vào luôn được

ổn định Tín hiệu được đưa vào bộ thuật toán để tạo ra xung vuông

* Giản đồ xung:

4.1.2, Mạch tạo xung răng cưa.

Thysistor nên trong thời gian Thysistor mở thì tụ C được nạp Khi

Thysistor đóng do đặc tính của tụ C nên lúc này C lại phóng điện trở lại, dẫn đến tín hiệu ra sẽ không con là xung vuông ban đầu nữa Tín hiệu này

có dạng tựa răng cưa, so sánh với điện áp điều khiển một chiều

* Giản đồ xung :

4.1.3, Mạch có độ rộng xung thay đổi :

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 14 Nguyễn Minh Châu

Ở mạch này tạo ra xung chùm có tần số cao (khoảng 10Khz) xungnày được đưa vào một phần của cổng AND phần còn lại được đưa vào từđầu kia của khâu tạo xung răng cưa Để tạo xung chùm điều khiển mở cácThysistor

* Giản đồ xung:

4.1.5, Bộ cộng xung

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 16 Nguyễn Minh Châu

Mạch cộng xung là mạch được tạo bởi từ xung có độ rộng thay đổi

và xung chùm, qua IC 74HC08 và đầu ra cổng đầu tiên chân số 3 cho ratín hiệu cộng xung

* Giản đồ xung:

4.1.6, Mạch khuếch đại xung điều khiển

Mạch điều khiển thường làm việc trong điều kiện nhiễu mạch dobản thân mạch động lực gây ra Các nhiễu này có thể truyền theo đươngdây nguồn tới đầu vào của mạch điều khiển và lan tận đến khâu khuếchđại xung Do vậy nếu khuyếch đại xung có hệ số khuếch đại lớn đặc biệtnếu dùng mạch điều khiển có phản hồi dương dễ gây hiện tượng khuếchtán giả lam Thysistor mở không đúng thời điểm.

4.1.7, Mạch cách ly

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 18 Nguyễn Minh Châu

Đây là mạch cach ly giữa mạch điều khiển và động lực, hai conDiode mắc song song có tác dụng chống ngược

5 Thi công

5.1, Vẽ mạch nguyên lý:

Đầu tiên khi làm mạch ta phải vẽ sơ đồ nguyên lý Có rất nhiều phầnmềm hỗ trợ để vẽ mạch như Autocad, Orcad, Proteus, Protel Đây là cácphần mềm vẽ chuyên dụng, ở đây sơ đồ nguyên lý được vẽ bằng Protel.Khi vẽ mạch ta cần chú ý đến các đương tín hiệu như nguồn và GND ta

vẽ to hơn các tín hiệu trong mạch

5.3, Thi công board mạch

Sau khi chúng ta đã vẽ xong mạch trên máy tính thi việc làm board mạch

có thể thực hiện theo các phương án sau:

Phương án 1: Tự làm bằng tay Nghĩa là căn cứ vào các đường mạch

in mà ta đã vẽ trên máy tính, chúng ta đem in trên giấy bằng máy in Lazer

HP có độ mực đậm sau đó đặt lên phíp đồng dùng bàn là, là lên sao chomực trên giấy in bám chặc vào phíp đồng, sau đó rửa sạch vết giấy vàngâm vào dung dịch FeCl3 Cách này có độ chính xác không cao, chidùng cho các mạch có ít đường tín hiệu, ít lỗ via Do đó ít được dùng đểthiết kế mạch, nhung vì vấn đề kinh tế nên em đã chọn phương án này

Phương án 2 : Làm mạch bằng phương pháp in lụa Nghĩa là sau khi

vẽ mạch trên máy tính xong, chúng ta đem in lụa lên mạch in, sau đódùng bút long đồ lại Cách này có dộ chính xác cao hơn,dồng thời nếuchúng ta thi công các board mạch có kích thước lớn và số lượng nhiều thì

có thể giảm bớt giá thành thi công mạch Tuy nhiên đây chưa phải là cách

ưu việt nhất

Phương án 3: Phương án này dùng đến các máy chuyên gia thi công

mạch in, đây là cách thi công mạch có độ chính xác cao nhất, ít hư hỏng.Cách này khá tốn kém vì giá thành khá cao 150USD/0.3m2

5.4, Lắp ráp linh kiện vào mạch in:

Việc lắp ráp linh kiện cũng là một khâu rất quan trọng, vì mạch incác lỗ khoan đã khá gần nhau nên khi hàn thiếc dễ dẫn đến việc bị dính 2chân gần nhau Mặt khác, khi hàn nếu không cẩn thận thì các hạt thiếc tíhon sẽ rơi vãi trên board mạch dẫn đến khả năng chạm đường mạch, làm

hư hỏng linh kiện Việc này khắc phục bằng cách đổ nhựa thông len bềmặt board mạch

Để hạn chế việc hàn thiếc bằng mỏ hàn sung dẫn đến các linh kiện bịchết do sức nóng của mỏ hàn, chúng ta dùng các đế cắm IC Đây là giảipháp an toàn cho linh kiện, đồng thời nếu có hư hỏng linh kiện thì việcsửa chữa cũng dễ dàng thực hiện mà không làm hư hỏng mạch in

5.5, Đo các mối nối:

Việc làm này khá mất thời gian, nhưng quan trọng là khâu kiêm tranày giúp ta kiêm tra xem cac mối nối đã bám chặc lấy nhau hay chưa có

bị chập các dương tín hiệu hay không các mối hàn có tiếp xúc tốt chưa.Cân chú ý đên các đương nguồn va GND Để kiểm tra ta sử dụng đồng hồ

số hoặc kim

5.6, Tiến hành cho mạch chạy

Đầu tiên ta phải cấp nguồn và GND cho mạch, tiến hành đo mạchdung osino để hiển thị xung xem có đúng vơi thực tế hay không

PHẦN III Kết luận và kiến nghị.

Mạch chạy Qua việc thiế kế bài tập lớn này chúng em đã hiểu thêmnhiều kiến thức về ĐTCS Với việc lắp ráp mạch trên board chúng em đã

có thêm hiểu biết về kinh nghiệm làm mạch và các vấn đề thường gặp khilàm mạch Điều này thực sự rất bổ ích cho chúng em

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Minh Việt

PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO.

SVTH: Nguyễn Xuân Vĩnh Trang 22 Nguyễn Minh Châu