Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
III.1 CHặNH LệU DIOD (KHOÂNG ẹIEÀU KHIEÅN)
Như ta sẽ nhận xét, chỉnh lưu diod là trường hợp riêng của các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha. Vì vậy, trong mục này ta chỉ khảo sát các bộ chỉnh lưu diod một pha như một sự mở đầu.
Như đã giới thiệu trong chương 1, thông số đặc trưng (và mong muốn) của điện áp ngỏ ra bộ chỉnh lưu là giá trị trung bình, là thành phần một chiều của điện áp này. Giá trị hiệu dụng chỉ được chú ý khi ta quan tâm đến sự phát nhiệt của điện trở và các tính toán sóng hài bậc cao dùng để đánh giá mức độ không lý tưởng của dạng điện áp.
Các sơ đồ chỉnh lưu được phân loại theo số xung của áp ra trong một chu kỳ lưới.
1. Khảo sát chỉnh lưu hai xung: Còn được gọi là chỉnh lưu toàn sóng hay hai nữa chu kỳ, bao gồm sơ đồ cầu một pha và sơ đồ một pha có điểm giữa.
a. Hoạt động ở tải R:
(a) (b)
Hình III.1.1 Sơ đồ cầu một pha (a) và sơ đồ một pha có điểm giữa (b) và các dạng sóng dòng, áp tải trở (c)
io uo
2π
U 2 u
0
D1
wt
π
u
(c)
Trong sơ đồ cầu với tải trở D1, D4 được phân cực thuận và dẫn điện ở bán kỳ dương của nguồn u và D2, D3 có hoạt động tương tự ở bán kỳ âm để cung cấp dòng áp một chiều ( >0) cho tải. Vì biến áp có điểm giữa có hai ngỏ ra ngược pha ở thứ cấp (e và – e), luôn luôn có một diod dẫn điện khi tải R và hai sơ đồ có cùng dạng áp ra như hình III.1.1.c.
Gọi áp nguồn u U= 2sinwt <III.1.1 >
với U , ω : trị số hiệu dụng và tần số góc áp nguồn u.
iS
ắ Trị trung bỡnh Uo của ỏp ra uo:
2
0 0
1 1 1 2 2
2 2 sin
o T o o
U u dt u dt U wt dwt U
T
π π
π π π
= ∫ = ∫ = ∫ ⋅ = <III.1.2 >
Với tải trở, ta có quan hệ uo = io.R với io là dòng ngỏ ra => io = uo/R suy ra dòng, áp ngỏ ra có cùng dạng và trung bình dòng ngỏ ra Io = Uo/R <III.1.3 >
ắ Trị hiệu dụng dũng tải :
2
2 2 2
0 0 0
1 1 1
2 . . .
oR o o
u U
I i dwt i dwt dwt
R R
π π π
π π π
= ∫ = ∫ = ∫ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ = <III.1.4 >
với U là trị hiệu dụng áp nguồn. Trị hiệu dụng dòng tải cũng chính là trị hiệu dụng IS của dòng qua nguồn khi tải là R. Có thể đoán trước điều này khi để ý bộ chỉnh lưu chỉ làm đổi chiều (cực tính) dòng nguồn xoay chiều thành một chiều cung cấp cho tải.
ắ Cụng suất tiờu thụ của tải R là
2
. 2
o oR U
P R I
= = R giống như nối trực tiếp vào lưới điện, tương ứng hệ số công suất của BBĐ bằng 1.
Nếu ta lấy công suất một chiều PDC làm công suất hữu dụng thì PDC = U IO O. < Po. Lúc
này ta đã bỏ qua tác dụng nhiệt của các sóng hài điện áp ngỏ ra.
Áp khóa cực đại trên diod:
Để chọn định mức áp cho các diod, ta cần xác định điện áp khóa cực đại mà diod có thể phải chịu khi làm việc. Xét các diod nối chung anod (hay catod), khi một diod trong nhóm dẫn điện, các diod còn lại trong nhóm sẽ bị đặt vào điện áp dây giữa pha của diod đang dẫn và pha của chính nó.
Trong trường hợp sơ đồ cầu, khi D1 dẫn, D2 bị phân cực ngược bằng áp lưới, vậy áp ngược cực đại của diod sẽ là trị số đỉnh áp lưới U 2.
Với sơ đồ biến áp có điểm giữa (hình III.1.1.b), biến áp có hai cuộn thứ cấp đảo pha, áp ngược đặt vào chỉnh lưu tăng gấp đôi. Thật vậy, khi D1 dẫn, áp đặt vào D2 là:
uD2 = − e − e = − 2.e (qui ước áp trên SCR hay Diod luôn tính từ A qua K).
GHi NHỚ - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi hướng (nắn) dòng nguồn xoay chiều thành dòng một chiều qua tải, suy ra ở mạch một pha, hiệu dụng dòng nguồn và tải có cùng trị số.
b. Hoạt động ở tải RL:
Mạch điện khảo sát là sơ đồ hình III.1.1.a hay III.1.1.b với tải là RL thay vào vị trí của R.
Tại gốc tọa độ wt = 0, áp nguồn u > 0 làm D1, D4 dẫn điện. Dòng tải tăng lên từ giá trị không và khác với tải R, dòng chưa về không ở wt = π. Ở bán kỳ kế, D2, D3 dẫn điện vì được phân cực thuận với giá trị dòng ban đầu khác không. Sau một số chu kỳ, mạch điện đạt chế độ tựa xác lập: dòng qua mạch thay đổi có chu kỳ, ở đây là π.
Để khảo sát chu kỳ tựa xác lập, ta lấy lại gốc tọa độ và phương trình mạch điện:
2 sin .
o o di
u = =u U wt R i L dt= + điều kiện đầu : iO(0) = I1
giải ra: ( ) 1
2 sin t
o
i U wt I e
Z φ − τ
= − + . với
R tg 1 ωL
=
φ − và
R
= L τ
Khi wt = π , dòng điện trở lại giá trị ban đầu I1 để lập lại xung dòng cho bán kỳ mới:
( ) 1 1
2 sin
o
i U I e I
Z
πωτ
π φ −
= − + = <III.1.5>
Hình III.1.2 (a) áp dòng chỉnh lưu hai xung tải RL (b) dạng dòng trong chu kỳ tựa xác lập
Giải phương trình này, ta được I1 và biểu thức cho dạng dòng ra io . Biểu thức này tương đối phức tạp và tích phân để tính trị trung bình dòng qua tải = π∫π
0
1 i dwt
Io o. là không dễ dàng.
Trong thực tế, người ta thường chỉ tính giá trị trung bình dòng ra bằng nguyên lý xếp chồng khi chỉ xét tác dụng của thành phần một chiều của áp :
IO = UO/R , có dạng <III.1.3> vì L không có tác dụng đối với thành phần một chiều của điện áp.
Giống như đã phân tích trong phần tính giá trị trung bình, việc tính hiệu dụng dòng tải và nguồn sẽ tốn khá nhiều công sức, có thể tích phân trực tiếp hay dùng nguyên lý xếp chồng.
Trong thực tế, người ta chỉ xét trường hợp L vô cùng lớn để độ nhấp nhô dòng tải không đáng kể (trường hợp dòng phẳng) như ở những mục tiếp theo.
Ví dụ: Tính dòng qua mạch chỉnh lưu cầu diod tải R = 10 ohm, áp nguồn 12 V (hiệu dụng).
Trị trung bình áp ra
Uo = 12⋅ 2π2 =12⋅0.9 =10.8v, Trị trung bình dòng ra:
10.8 /10 1.08 A
O O
I =U R= =
Bài tập III.1.1: Tính HSCS của BBĐ khi dòng tải phẳng, bằng IO. Khi L vô cùng lớn, nhấp nhô dòng không đáng kể, ta có dòng phẳng.
- Công suất tải tiêu thụ cũng là coâng suaát nguoàn cung caáp baèng PO = UO.IO
- Hiệu dụng dòng tải IR, nguồn INR
cũng là IO , công suất biểu kiến S = U.IO
- Vậy HSCS 2 2
= π
D1, D4 D2, D3 o o
wt
2π
I
i I
u
π
Dòng qua nguồn o
i = I
u
o
o
Hình BT III.1.1 Khảo sát chỉnh lưu 2 xung tải dòng phẳng, lieõn tuùc
QUAN SÁT - cuộn dây nối tiếp mạch tải có thể làm cho dòng tải phẳng hơn nên nó thường được gọi là cuộn kháng san bằng.
c. Hoạt động ở tải RE: ( hình III.1.3 )
Ngược lại với tải RL có khuynh hướng kéo dài xung dòng điện, tải có sức phản điện làm cho xung dòng thu hẹp. Thật vậy, từ sơ đồ mạch điện hình III.1.3 có thể nhận xét là các diod chỉ dẫn điện được khi áp nguồn u lớn hơn sức phản điện E của tải. Gọi δ là góc để diod bắt đầu dẫn ủieọn:
( )
1
2 2
Khi wt=δ thì u E= ⇔ E= U.sinδ ⇒ =δ sin− EU <III.1.6>
Khi diod dẫn điện, uo = =u R i E.o+ ⇒ =io (u E R− )/ với u= 2Usinwt. Dạng dòng là phần có tô trên hình III.1.3. Khi iO = 0 thì wt = π − δ vì tính đối xứng của hình sin.
Hình III.1.3 Chỉnh lưu diod 2 xung, tải RE
Khi diod tắt hay iO = 0 , uO = E. Từ hình III.1.3 biểu thức tính trung bình áp ra:
1 . 1 2 .sin . .
o o
U π δ πu dwt π π δ U wt dwt δ πE dwt
δ δ π δ
+ − +
−
⎡ ⎤
= ∫ = ⎢⎣∫ +∫ ⎥⎦
và biểu thức tính trung bình dòng ra:
0
1 1 .
o o
I i dwt u E dwt
R
π π δ
π π δ
− −
= ∫ = ∫ .
IO có thể được tính theo nguyên lý xếp chồng khi xét mạch tương đương đối với mạch điện một chiều: IO = (UO – E) /R
Để tính toán công suất phát nhiệt của điện trở R cần tính toán giá trị hiệu dụng IOR của dòng điện ngỏ ra iO: IOR= π1∫0πi dwto2. = π δ1 ∫π δ− (u E− R)2.dwt .
Và công suất tiêu thụ trên điện trở R là Po =R I. OR2
QUAN SÁT - Chỉ khi sức phản điện mạch tải E lớn hơn biên độ áp nguồn thì dòng tải mới bằng không
d. Hoạt động ở tải có tụ điện: ( hình III.1.4 )
Hình III.1.4: Mạch động lực và dạng dòng, áp chỉnh lưu cầu có điện dung ở ngỏ ra (khi cho sụt áp diod baèng khoâng).
Để có áp phẳng ở ngỏ ra, người ta sử dụng mạch lọc có tụ điện là phần tử chính như hình
II.1.4. Tụ điện tích trữ năng lượng dưới dạng điện áp, nó được nạp năng lượng khi áp nguồn chỉnh lưu cao hơn áp ngỏ ra: u u> C. Phương trình dòng khi diod dẫn điện:
in C
du du
i C C
dt dt
= = <III.1.7> , với u U= 2sinwt
với u là áp nguồn hình sin, và iin có thể có giá trị rất lớn phụ thuộc vào giá trị C và du/dt lúc đó. Dòng iin giảm về không và tụ điện sẽ cung cấp năng lượng cho tải khi áp nguồn chỉnh lưu thấp hơn áp trên tụ u u< C .
Theo III.1.7, khi nối trực tiếp tụ điện ở ngỏ ra chỉnh lưu thì dòng nạp tụ iin có dạng xung với biên độ có thể rất lớn làm hỏng diod, gây sụt áp lưới điện. Điều này có thể hạn chế bằng một trong các phương pháp sau (hình III.1.5):
- Khi chỉnh lưu sử dụng biến áp giảm áp công suất bé, tổng trở trong của biến áp đủ để hạn dòng, không cần phần tử phụ khác (a).
- Mạch lọc dùng LC thay vì C (b). Tự cảm ngoài tác dụng hạn dòng nạp tụ còn góp phần vào làm phẳng áp ngỏ ra, cải thiện dạng dòng ngỏ vào, được dùng khi cần chất lượng cao.
- Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới một pha công suất nhỏ, người ta hạn dòng qua nguồn và diod bằng một điện trở hay tốt hơn, bằng một varistor có điện trở tăng rất nhanh theo sự tăng của dòng qua nó (c).
- Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới công suất trung bình hay lớn, thay vì dùng tự cảm hạn dòng nạp tụ, người ta nối tiếp một điện trở có trị số lớn nhưng công suất bé lúc khởi đầu, sau đó sẽ ngắn mạch lại bằng khóa K trước khi cho mạch hoạt động (d). Phương pháp này kinh tế hơn sử dụng cuộn dây.
vC v
R T
C
(a) v
vC
iin
R L
C
(b) v
vC
iin
R VARISTOR
C
(c) Hình III.1.5: Các sơ đồ thực tế
Phương trình mạch điện khi có R hạn dòng là:
( ) C
C C
u R i RCdu
= − = − dt
với giá trị ban đầu áp trên tụ là trị cực đại uC = uCmax. Khi C có giá trị lớn, vC xem như tăng, giảm theo đường thẳng như dạng sóng hình III.1.6a.
v
vC
iin
R R
K
C
(d) GHi NHỚ - Cần lưu ý biện pháp hạn dòng nạp tụ điện ở ngỏ ra của bộ chỉnh lưu để
tránh làm hỏng diod.
2. Tính toán gần đúng áp ra bộ chỉnh lưu diod ngỏ ra có tụ điện:
Dạng áp ra của các bộ nguồn chỉnh lưu thực tế, khi tụ điện được nạp qua một tổng trở (các sơ đồ III.1.5a b và c) có dạng vC trên hình III.1.6.a. Áp ra phẳng hơn nhờ có sụt áp trên
phần tử nối tiếp này, biên độ dòng nạp tụ điện cũng thấp hơn. Việc tính toán chính xác mạch điện lúc này phức tạp, chỉ có thể nhờ vào các công cụ mô phỏng trên máy tính hay thực nghiệm.
Khi tính toán mạch công suất nhỏ, người ta thường dùng cách tính gần đúng với giả sử điện dung C rất lớn hay bộ nguồn có sử dụng mạch ổn áp với dạng áp, dòng hình III.1.6.b.
Hình III.1.6: (a) Dạng dòng, áp ra thực tế sơ đồ hình III.1.5a; (b) Dạng áp tính toán sơ đồ hình III.1.5a Khi đó dòng tải có thể xem là không đổi có trị số là IO = UO/R với UO là áp trung bình ngỏ ra. Suy ra áp trên tụ điện sẽ suy giảm tuyến tính với độ dốc – IO/C . Nếu ta cho là áp trên tụ nạp đến đỉnh hình sin chỉnh lưu và thời gian tụ xả là Δ t = T/2 (T là chu kỳ điện lưới, bằng 20 ms ơ lưới điện 50 Hz), ta có dạng sóng tính toán trên hình III.1.6.b.
Nhấp nhô áp trên tụ điện C bằng: o.
C
U I t C
Δ = Δ <III.1.8> (giá trị này luôn lớn hơn thực tế).
Suy ra trung bình áp trên tụ điện C là: UC =U 2− ΔUD− Δ12 UC <III.1.9>
với U là trị hiệu dụng áp nguồn , ΔUD là sụt áp qua diod.
GHi NHỚ Khi bộ nguồn làm việc không tải, trị trung bình áp ngỏ ra tiến đến giá trị đỉnh của hình sin chỉnh lưuU 2. Khi tải định mức, trị trung bình VC có thể bé hơn giá trị tính theo <III.1.9> do sụt áp trên tổng trở trong của nguồn.
3. Tính toán điện áp bộ cấp điện tuyến tính:
Để cung cấp nguồn một chiều cho các mạch đo lường và điều khiển, người ta cần áp một chiều phẳng có giá trị không đổi. Có thể sử dụng các bộ nguồn xung (chương IV) với nhiều ưu điểm hay đơn giản hơn, dùng chỉnh lưu diod có lọc tụ điện ngỏ ra và mạch ổn áp tuyến tính.
Hình III.1.8 cho ta sơ đồ bộ cấp điện một chiều ±Vo có ổn áp tuyến tính dùng vi mạch họ LM78xx (áp ra dương) và LM79xx (áp ra âm). Lưu ý vi mạch ổn áp cần được tản nhiệt khi dòng tải
> 0.1A và ở ngỏ ra nên có tụ hóa (C2 ≈ 100 uF) và tụ không cực tính (C3 ≈ 0.1 uF) để chống dao động và đảm bảo tải không bị nhiễu khi làm việc ở chế độ xung.
Hình III.1.7: Dạng áp ra mạch ổn áp khi áp nguồn quá thấp, không đủ cho mạch hoạt động.
e
- e v
78xx
79xx
Vo - Vo
C1
C1
C2
C2
C3
C3
Hình III.1.8: Bộ ổn áp tuyến tính dùng vi mạch họ 78xx Để các bộ ổn áp tuyến tính hoạt động bình thường, sụt ápΔU qua nó cần có giá trị tối thiểu (thường chọn ΔU ≥ 3V ), áp ngỏ ra UO được tính theo áp vào U như sau theo hình III.1.6b:
o 2 D C
U =U − ΔU − ΔU − ΔU<III.1.10>
Nếu áp nguồn U không đủ, sụt áp Δ =U (U 2− ΔUD− ΔUC)−Uo < ΔUmin là giá trị tối thiểu để vi mạch có thể họat động bình thường, ngỏ ra mạch ổn áp sẽ không còn phẳng nữa (hình III.1.7). Trong tính toán này, ta đã không lưu ý đến sụt áp của biến áp khi có tải, từ 10 .. 15% đối với biến áp công suất bé.
Ví dụ: tính áp thứ cấp cho bộ nguồn ổn áp 5V/ 0.5A .
Dùng tụ lọc có điện dung 2200uF => . 0.5 0.016 2200 10 1.14
C o
V I t
C −
Δ = Δ = i =
i volt. Sử dụng diod cầu, ΔUD = 2volt, lấy ΔU = 3 suy ra U 2≥ + + +5 2 3 1.14 11.14= volt hay U ≥ 8 volt, chọn áp thứ cấp biến áp bằng 9VAC để có dự trữ .
LƯU Ý - Để bộ ổn áp làm việc tốt, cần đảm bảo sụt áp tối thiểu qua vi mạch ổn áp ΔU (khoảng 3 volt). Hiện nay có họ vi mạch ổn áp với ΔU rất thấp, cho phép tạo ra nguồn ổn áp 3.3V từ nguồn 5 volt (ví dụ LM1117).
QUAN SÁT Khi áp ra bị sụt theo tải, việc tăng điện dung tụ điện lọc nguồn (khi đã có trị số khá lớn) thường không hiệu quả vì làm tăng sụt áp nguồn. Biện pháp có thể dùng là tăng áp thứ cấp hay và/hay tăng công suất biến áp nguồn.
4. Bộ chỉnh lưu nhiều xung dùng diod:
Ở công suât lớn, ta sử dụng nguồn nhiều pha và bộ chỉnh lưu nhiều diod. Dạng áp ra sẽ gồm nhiều xung hơn trong một chu kỳ lưới, tương ứng với khoảng dẫn của các diod. Như vậy, dạng áp ra sẽ phẳng hơn và gần với nguồn một chiều lý tưởng hơn các bộ chỉnh lưu một pha.