MỤC LỤCContents LỜI MỞ ĐẦU2LỜI CẢM ƠN2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN3CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 41.1Khái niệm về điện tử công suất41.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản51.2.1.Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất51.2.3.Thyristor (SCR)91.2.4.GTO ( Gate Turnoff Thysistor)131.2.5.Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor)151.2.6.Transistor trường, MOSFET201.2.7 Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT27CHƯƠNG 236GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP362.1Các khái niệm cơ bản362.1.1.Khái niệm362.1.2.Sự khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc.362.2Nghịch lưu độc lập điện áp372.2.1Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha372.2.2Phương pháp sóng điều hòa cơ bản392.2.3Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha402.3Nghịch lưu dòng432.3.1Nghịch lưu dòng một pha432.3.2Nghich lưu dòng ba pha45CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ BOARD MẠCH473.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực473.1.1Tính toán máy biến áp47Yêu cầu biến áp473.1.2Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch483.1.3. Lọc LC513.2.Thiết kế mạch điều khiển533.2.2.Thiết kế mạch điều khiển553.3.3Sơ đồ nguyên lý613.3.4Nguyên lý hoạt động633.3.6Sơ đồ mạch in 3D643.3.7Sản phẩm đã hoàn thiện65TÀI LIỆU THAM KHẢO68MỤC LỤC69
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 4
Khái niệm về điện tử công suất
1.1.1 Định nghĩa Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và điều khiển năng lượng điện.
Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất
Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản
Hình 1.2 Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất
1.1.2 Phân loại và ứng dụng: Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không. Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter) Các bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các van bán dẫn. Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (còn có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter,
Bộ biến đổi DC chopper chuyển đổi dòng điện một chiều cố định thành dòng điện một chiều có điện áp và dòng điện điều khiển được Trong khi đó, các bộ biến tần (Frequency Drive) như Cycloconverter và Inverter có khả năng biến đổi nguồn điện xoay chiều với dòng, điện áp và tần số cố định thành dòng điện xoay chiều với các giá trị dòng, áp và tần số có thể điều chỉnh theo yêu cầu.
1.2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất
Các phần tử bán dẫn công suất, được sử dụng trong các bộ biến đổi như các khóa điện tử, được gọi là van bán dẫn Chúng có khả năng dẫn dòng khi mở, kết nối tải vào nguồn, và ngắt tải khi khóa, ngăn không cho dòng điện chạy qua Để điều khiển việc đóng cắt các dòng điện lớn, các van bán dẫn được điều khiển bằng tín hiệu công suất nhỏ từ các mạch điện tử công suất nhỏ.
Các van bán dẫn hoạt động theo chế độ khóa, cho phép dòng điện chạy qua với điện trở rất nhỏ khi mở, và ngăn chặn dòng điện với điện trở lớn khi khóa Nhờ vào đặc tính này, tổn hao công suất trong quá trình hoạt động được giảm thiểu, với giá trị tổn hao chỉ phụ thuộc vào điện tích của dòng điện và điện áp rơi trên phần tử.
Các van bán dẫn cho phép dòng điện chỉ chảy theo một chiều khi được cấp điện áp phân cực thuận Khi điện áp phân cực ngược, dòng điện qua van rất nhỏ, chỉ khoảng miliampe, được gọi là dòng rò.
Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:
Van không điều khiển như Diode
Van có điều khiển : Điều khiển không hoàn toàn, như Thysitor, Triac Điều khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO
Diode là linh kiện điện tử được cấu tạo từ một lớp tiếp giáp bán dẫn P-N, bao gồm hai cực: cực anot A kết nối với lớp bán dẫn kiểu P và cực catot K kết nối với lớp bán dẫn kiểu N Dòng điện chỉ có thể lưu thông qua diode từ cực A đến cực K khi có điện áp đủ lớn.
UAK dương Khi UAK âm, dòng qua Điode gần như bằng không. a) Cấu tạo và kí hiệu
Hình 1.3a Cấu tạo và kí hiệu Diode
Tiếp giáp bán dẫn P-N là thành phần thiết yếu của Diode, được hình thành khi hai lớp bán dẫn P và N tiếp xúc Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa từ bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P, lấp đầy các lỗ trống và tạo ra một lớp ion trung hòa điện Lớp ion này đóng vai trò như một miền cách điện giữa hai loại bán dẫn, góp phần vào chức năng của Diode.
Vùng nghèo điện tích trong bán dẫn chỉ mở rộng đến một độ dày nhất định, do khi các điện tử di chuyển từ vùng N, chúng để lại các ion dương, trong khi ở vùng P, điện tử di chuyển vào lớp cách điện tử hóa trị ngoài cùng, tạo ra các ion âm Các ion này gắn chặt trong cấu trúc tinh thể của silic, không thể di chuyển, tạo thành một tụ điện với điện tích âm ở vùng P và điện tích dương ở vùng N Sự phân bố điện tích này tạo ra một điện trường E hướng từ vùng N sang vùng P, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của điện tử từ vùng N sang vùng P.
Đặc tính Vol – Ampe bao gồm hai phần chính: phần thuận nằm trong góc phần tư thứ I, tương ứng với UAK > 0, và phần ngược nằm trong góc phần tư thứ III.
Trên đường đặc tính thuận của Diode, khi điện áp A-K tăng từ 0 đến ngưỡng VF, dòng điện iD bắt đầu chảy Dòng điện này có thể biến đổi lớn, nhưng điện áp rơi trên Diode UAK lại hầu như không thay đổi Do đó, đặc tính thuận của Diode được đặc trưng bởi điện trở tương đương nhỏ.
Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị
Điện áp ngược lớp nhất của Diode gọi là Ung.max, tại mức này, dòng qua Diode tăng đột ngột, dẫn đến hiện tượng Diode bị đánh thủng Dòng qua Diode ở điện áp ngược thấp chỉ là dòng rò, cho thấy Diode cản trở dòng điện theo chiều ngược Đặc tính Vôn-Ampe của Diode khác nhau, nhưng trong phân tích sơ đồ bộ biến đổi, đặc tính lý tưởng thường được sử dụng, cho phép dòng điện chạy qua mà không có sụt áp và chịu được điện áp ngược lớn với dòng rò bằng 0 Theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương bằng 0 khi dẫn và vô cùng khi khóa.
Dòng điện thuận ID là giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, đây là thông số quan trọng khi chọn diode cho ứng dụng thực tế Điện áp ngược UNg.max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng Do đó, việc lựa chọn đúng các thông số này là rất cần thiết.
Dòng điện thuận ID là giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận Đây là thông số quan trọng để lựa chọn diode phù hợp cho các ứng dụng thực tế.
1.2.3.Thyristor (SCR) a) Cấu trúc và kí hiệu
Thysistor có ba cực : anot A, catot K, cực điều khiển G
Thysistor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N-P-N tạo ra ba tiếp giáp P-N: J1, J2, J3
Hình 1.5 Kí hiệu cấu trúc của Thysistor b)Đặc tính Vôn – Ampe
Đặc tính Von-Ampe của thyristor bao gồm hai phần chính Phần đầu tiên nằm trong góc phần tư I, thể hiện đặc tính thuận khi điện áp UAK > 0 Phần thứ hai nằm trong góc phần tư III, được gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0.
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hoặc khi cực điều khiển hở mạch, thyristor sẽ ngăn cản dòng điện trong cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa A-K Khi điện áp UAK < 0, dựa vào cấu tạo bán dẫn của thyristor, hai tiếp giáp sẽ không dẫn điện.
J1, J3 sẽ phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận Như vậy Thysistor sẽ giống như
Các khái niệm cơ bản
Nghịch lưu độc lập là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều với tần số đầu ra có thể điều chỉnh, đồng thời hoạt động hiệu quả với các phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thường bao gồm điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn độc lập khác Nghịch lưu động lập được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng và luyện kim.
2.1.2.Sự khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc. a) Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng lượng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện xoay chiều đó. b) Nghịch lưu độc lập hoạt động với tấn số ra do mạch điều khiển quyết địnhvà có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện. b.1) Phân loại nghịch lưu độc lập b.1.1) Nghịch lưu điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thànhnguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới:
Nghịch lưu điện áp 1 pha Nghịch lưu điện áp 3 pha b.1.2) Nghịch lưu dòng điện, cho phép biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều :
Nghịch lưu độc lập điện áp
2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha a) Cấu tạo và nguyên lý
Sơ đồ gồm bốn van động lực chủ yếu: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2,
D3 và D4 được sử dụng để truyền công suất phản kháng của tải về lưới điện, giúp ngăn chặn hiện tượng quá áp khi có năng lượng ngược từ tải Tụ Co được kết nối song song nhằm đảm bảo nguồn đầu vào có tính chất hai chiều.
Co có hai nhiệm vụ chính: tiếp nhận công suất kháng từ tải và đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn áp ổn định Khi giá trị của Co lớn, nội trở nguồn sẽ nhỏ, giúp điện áp đầu vào được san phẳng hơn.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu độc lập 1 pha
Trong nửa chu kỳ đầu từ 0 đến t2, cặp T1 và T2 dẫn điện, cung cấp điện áp cho phụ tải bằng sức điện động nguồn Ut = E Khi t = t2, T1 và T2 ngắt kết nối, trong khi T3 và T4 bắt đầu dẫn điện, cung cấp nguồn cho tải theo chiều ngược lại, với điện áp trên tải là U = -E, tức là điện áp đảo chiều.
Do tính chất cảm kháng của tải, dòng điện vẫn duy trì hướng cũ khi T1 và T2 được khoá, dẫn đến dòng khép mạch qua D3 và D4 SĐĐ cảm ứng trên tải trở thành nguồn cung cấp điện cho tụ Co qua D3 và D4 (đường màu xanh) Tương tự, khi T3 và T4 được khoá, dòng sẽ khép qua mạch D1 và D2 Các biểu đồ điện áp tải U1, dòng tải i1, dòng qua diode iD và dòng qua tiristo được thể hiện trong hình 2.1.1.2.
Hình 2.2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha
2.2.2 Phương pháp sóng điều hòa cơ bản Điện áp trên tải khi tính gần đúng :
Dòng trung bình qua van động lực:
Dòng trung bình qua diode:
Giá trị của tụ C : C ΔUC là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị (%):
2.2.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha a) Cấu tạo
Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha b) Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ nghịch lưu (hình 2.2.2.1) được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính.
Hình 2.4 Luật điều khiên và điện áp trên tải Để đơn giản hóa việc nghiên cứu ta giả thiết:
Các van dẫn là lí tưởng, khi đóng mở nguồn có nội trở nhỏ vô cùng, dẫn điện theo hai chiều.
T1 T6 làm việc với độ dẫn điện λ = 180 o
Các tổng trở Za = Zb = Zc
Các diode D1 – D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn
Tụ C tạo ra nguồn áp và tiếp nhận năng lượng kháng từ tải Để đảm bảo điện áp ba pha đối xứng, luật dẫn điện của các van cần tuân theo các đồ thị được trình bày trong hình.
T1 và T4 phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha A,
T3 và T6 phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha B,
T5 và T2phải dẫn lệch nhau 180 o để tạo ra pha C, Các pha lệch nhau 120 o
Trong khoảng 0 - t1: T1, T6, T5 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được:
Trong khoảng t1 - t2: T1, T2, T6 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được:
Trong khoảng t2 - t3: T1, T2, T3 dẫn sơ đồ thay thế như hình vẽ, điện áp pha A nhận được: UZA = E/3
Giá trị hiệu dụng điện áp pha : Điện áp tức thời:
Nghịch lưu dòng
2.3.1 Nghịch lưu dòng một pha a) Cấu tạo b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu dòng 1pha
Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đừ vào từng đôi thysistor T1,
Trong hệ thống nghịch lưu, T2, T3, và T4 hoạt động với tín hiệu điều khiển lệch pha 180 độ giữa T3 và T4 Với điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn (Ld=∞), dòng điện đầu vào được làm phẳng, dẫn đến nguồn cấp cho nghịch lưu trở thành nguồn dòng Hệ quả là dạng dòng điện của nghịch lưu (iN) có hình dạng xung vuông.
Khi xung được đưa vào mở cặp van T1, T2, dòng điện IN=id=Id sẽ tăng lên, làm cho dòng qua tụ C đột ngột tăng, nạp điện với cực “+” bên trái và “-” bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không, nhưng iN=iC+iZ=id vẫn hằng số, khiến dòng qua tải ban đầu nhỏ rồi tăng lên Sau nửa chu kỳ (t=1), xung được đưa vào mở cặp van T3, T4, tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” sang “-”, làm T1 và T2 bị khóa lại Quá trình chuyển mạch này diễn ra gần như tức thời, sau đó tụ C sẽ nạp điện ngược lại với cực tính “+” bên phải và “-” bên trái Dòng nghịch lưu iN=id=Id sẽ đổi dấu, và tại thời điểm t=t2, khi xung mở T1, T2, T3, T4 sẽ lại bị khóa, lặp lại quy trình như trước Tụ C thực hiện chức năng chuyển mạch cho các thyristor, và khoảng thời gian duy trì điện áp ngược từ t1 đến t1’ là cần thiết để giữ quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van, với t1-t1’=tk≥toff; trong đó toff là thời gian khóa của thyristor.
2.3.2 Nghich lưu dòng ba pha a) Cấu tạo a) b)
Hình 2.6 Nghịch lưu dòng ba pha (a) và biểu đồ xung (b) b) Nguyên lý hoạt động
Cũng giống như nghịch lưu dòng một pha, nghịch lưu dòng 3 pha sử dụng các Thisistor Để khóa được các Thysistor cần phải có tụ chuyển mạch (C1, C2,
Theo đồ thị, mỗi van động lực chỉ hoạt động trong khoảng thời gian λ = 120 độ Quá trình chuyển mạch luôn diễn ra đồng thời cho tất cả các van.
Xét khoảng thời gian 0-t1: Lúc này T1 và T6 dẫn Dòng điện sẽ qua T1, ZA,
Khi tụ C1 được nạp đầy, dòng điện qua tụ sẽ bằng không, và tụ C1 được nạp với dấu điện áp để chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khóa T1 Tại thời điểm t=t2, khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 sẽ khóa T1 lại Tương tự, khi T2 và T3 dẫn điện (t2-t3), tụ C3 cũng được nạp với dấu hiệu điện áp để chuẩn bị khóa T3.
TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ BOARD MẠCH
Tính toán và thiết kế mạch động lực
3.1.1 Tính toán máy biến áp 1
Yêu cầu biến áp: Điện áp đầu vào 12V Điện áp đầu ra 220V, fPHz
Hình 3.1 Biến áp nghịch lưu
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 $ (V)
Công suất của máy biến áp: P= U2.I2 = 300 (W)
Trong đó: P là công suất máy biến áp
U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp
I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp là hiệu suất máy biến áp
Chọn là hiệu suất máy biến áp = 0,85
Vậy ta có dòng điện thứ cấp của máy biến áp: ÁP dụng tỉ số máy biến áp
1 Áp dụng tỉ số biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24 (V)
Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = U1.I1 = 24.14,6 = 350VA với I = 2 A
3.1.2 Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch
Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau:
+ Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp
+ Làm việc với điện áp cao
+ Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản
• Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biếnáp I = 14,6 A
(Ta chọn phương thức làm mát bằng tản nhiệt)
Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là : Điệp ngược đặt lên van : Ungmax = Kdc.12 = 24 V
Kdc thường được chọn lớn hơn 1,6
Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V
Từ các điều khiện trên ta chọn van : IRF3205 với các thông số sau:
Theo datasheet của hang chế tạo IRFZ44V ta biết nhiệt độ Tjmax= 175 o C,
RJC = 0,63 ( o C/W) Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 40 o C Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là Tr = Tj – RJC P
Trong đó theo datasheet IRFZ44V có P = 94W
Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường là : o CDiện tích bề mặt tản nhiệt : m 2
• Tính toán chọn cầu chì
Mạch điện được thiết kế với dòng làm việc tối đa ở mạch thứ cấp MBA là 2A Để ngăn ngừa tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch gây hư hỏng thiết bị, nên lựa chọn cầu chì cắt nhanh làm thiết bị bảo vệ, với dòng điện làm việc ICC được xác định là 3A (K.I = 1,5.2).
Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 3A, điện áo 250V loại cắt nhanh.
3.1.3 Lọc LC Để loại bỏ những hài bậc cao không mong muốn ra khỏi thành phần của điện áp ra, ta sử dụng phương pháp lọc LC Điều kiện chống cộng hưởng ở tấn số sóng hài thấp nhất :
Giá trị tối ưu thường cho bằng 1, tuy nhiên để giảm công suất đặt thường lấy giá trị nhỏ hơn, có thể lấy
Vậy với NLDL điện áp một pha có công suất tải 300W, điện áp ra
220VAC, f = 50Hz ta có Q2 = P1 = 1.300 = 300VA Từ đây tính tụ C :
Từ điều kiện chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q=3) có:
Suy ra công suất phản kháng : Q1 = Dòng điện tải
I = 1,36 A,, từ đây tính được các giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp:
Vậy chọn tụ điện có thông số 20 F và cuộn cảm 0,14H
3.1.4 Nguyên lý mạch động lực
Hai cặp MOSFET công suất IRFZ44N hoạt động như một khóa điện tử, thực hiện việc đóng ngắt liên tục với tần số 50Hz từ bộ phát xung Khi MOSFET đóng, dòng điện từ ắc quy chảy qua cuộn sơ cấp, tạo ra sức điện động ở cuộn thứ cấp L1, dẫn đến điện áp đầu ra được khuyếch đại theo tỷ số vòng dây của biến áp Kết quả là, đầu ra sẽ có chu kỳ dương Ngược lại, trong chu kỳ âm, cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện, tạo ra điện áp đầu ra với chu kỳ âm Quá trình đóng mở MOSFET với tần số 50Hz nhờ vào mạch điều khiển sẽ sinh ra điện áp biến thiên với tần số tương tự ở cuộn sơ cấp, tuy nhiên, điện áp này có dạng xung vuông thay vì sóng sin do việc đóng mở nguồn một chiều 12V.
Các linh kiện và thiết bị trong mạch động lực
1 Acquy 12v, 1 Biến áp xung 12DV/220AC/350W
1 Cầu trỡ 220V/3A, 1 Cuộn cảm 0,14H, 1 Tụ 20 àF
Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1.Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển
Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển
MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn, cho phép điều khiển việc mở và khóa thông qua xung Mạch điều khiển của MOSFET có khả năng điều chỉnh độ rộng xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên collector và emitter của van.
Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khóa van trong nửa chi kì còn lại.
Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở khóa van chắc chắn.
Tạo ra được tần số yêu câu.
Dễ dàng lắp ráp, thay thế, vận hành tin cậy, ổn định.
Cách ly với mạch động lực. a) Yêu cầu chung về mạch điều khiển :
Mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi Do đó, cần chú trọng đến độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển.
Các giá trị lớn nhất không được vượt quá giới hạn cho phép, trong khi giá trị nhỏ nhất cần đảm bảo đủ cung cấp cho các van mở và khóa an toàn Hơn nữa, tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép.
Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :
Trong hệ thống điều khiển, thời gian chết giữa các xung mở của các cặp van cần phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van Điều này đảm bảo rằng van hoạt động hiệu quả và chính xác trong quá trình điều chỉnh.
Yêu cầu về độ tin cậy cảu mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi, có từ trường…
Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Sử dụng dễ dàng, dễ thay thế, lắp ráp….
3.2.2.Thiết kế mạch điều khiển b) CD4047 Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng vi mạch CD4047, có các thông số sau
Hình 3.2 Sơ đồ chân, cấu trúc logic của vi mạch
Chân 1 : C-Timing được nối với đầu dương của tụChân 2 : R-Timing được nối với 1 đầu của trở 1k Chân 3 : Đầu chung của RC
Chân 5 : Trạng thái không bềnChân 6 :
Chân 8 : Chân kích khởi dương
Chân 9 : Thiết lập lại trạng thái ban đầuChân 10 : Đầu ra Q không đảo
Hoạt động của IC như sau:
Hoạt động của chân astable chỉ được phép khi đầu vào chân 5 đạt mức cao hoặc thấp từ chân 4 hoặc 2 Độ rộng xung vuông của Q và Q- phụ thuộc vào đầu vào RC Chân 5 astable cho phép mạch hoạt động như một bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5, với độ rộng xung tại chân 13 tương ứng với đầu ra Q trong chế độ astable Tuy nhiên, điều này chỉ đúng 50% trong chế độ ổn định đơn khi có sườn dương tại đầu vào + trigger.
(8) và trugger (6) ở mức thấp các xung đầu vào có thể thuộc bất kì thời điểm nàotương ứng với xung đầu ra.
Chân 12 cho phép kích mở trở lại khi nó là xung dương. Đặc điểm của vi mạch như sau :Công suất tiêu thụ thấp
Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định
Các đầu ra ổn định yêu cầu tín hiệu duy nhất từ R hoặc C, với các đầu vào có đệm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20V Đặc tính này được chuẩn hóa và đảm bảo tính đối xứng ở đầu ra chuẩn.
Ta tính toán để có được xung ra là 50Hz như sau:
Chọn biến trở có Rmax = 50KΩ để điều chỉnhĐiện áp Umin ở Q và Q- 0,05 V
Hình 3.3 Dạng sóng đầu ra của biến áp c) IC LM358
Là Ic khuyếch đại thuật toán thông dụng gồm hai bộ khuyếch đạithuật toán riêng biệt.
Hình 3.4 Hình dạng và cấu trúc LM358
Là IC 8 chân đóng gói dạng
DIP 100Tđiện áp hoạt động :+-
Chân 1 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán AChân 2 đầu vào đảo bộ khuyếch đại A
Chân 3 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại AChân 4 cấp nguồn âm
Chân 5 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại BChân 6 đầu vào đảo bộ khuyếch đại B
Chân 7 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán BChân 8 cấp nguồn dương
IC 4047 là thành phần chính trong mạch, được cấp nguồn 12V tại chân 14 IC này tạo ra hai xung dương ngược nhau tại hai chân đầu ra Q và Q đảo Để tạo dao động với tần số 50Hz, cần chọn thông số R và C với RGK,C = 0,1uF.
Xung đầu ra từ IC 4047 được đưa qua hai bộ khuếch đại thuật toán LM324 để khuếch đại tín hiệu và điều khiển MOSFET trong mạch lực Để bảo vệ LM324 khỏi dòng vào quá lớn, tín hiệu đầu ra của IC 4047 được đi qua điện trở 4.7k ôm ở mỗi cổng ra Q và Q đảo Tín hiệu vào chân không đảo của bộ khuếch đại thuật toán, trong khi chân đảo nhận điện áp phản hồi, với điện áp bão hòa là 12V Xung đầu ra từ LM324 sẽ điều khiển việc đóng mở các MOSFET ở tần số 50Hz.
3.3.7 Sản phẩm đã hoàn thiện Điện áp đầu vào input 12VDC Điện áp đầu ra output sấp sỉ 220VAC- 50HZ