(NB) Giáo trình Lắp ráp và kiểm tra mạch điện tử công suất cung cấp cho người học những kiến thức như: Van bán dẫn; Lắp ráp mạch chỉnh lưu không điều khiển; Lắp ráp mạch chỉnh lưu có điều khiển; Lắp ráp mạch điều chỉnh điện áp; Lắp ráp mạch nghịch lưu.
Van bán dẫn
Diode công suất
Bài 2 : Lắp ráp mạch chỉnh lưu không điều khiển
Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất 1 pha không điều khiển
Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất ba pha không điều khiển
Bài 3 : Lắp ráp mạch chỉnh lưu có điều khiển
1 Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển
2 Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất ba pha có điều khiển
Bài 4: Lắp ráp mạch điều chỉnh điện áp
1 Lắp ráp mạch điều áp một chiều
2 Lắp ráp mạch điều áp xoay chiều một pha
5 Bài 5: Lắp ráp mạch nghịch lưu 15 4 10 1
1 Lắp ráp mạch nghịch lưu 1 pha
2 Lắp ráp mạch nghịch lưu 3 pha
6 Thi kết thúc mô đun 2 2
Bài học này trình bày nguyên lý đóng/cắt mạch điện xoay chiều và một chiều thông qua các linh kiện bán dẫn công suất như Diode, BJT, MOSFET, Thyristor và Triac Phương pháp này ngày càng được ưa chuộng hơn so với các thiết bị đóng/cắt cơ học nhờ vào những ưu điểm vượt trội, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và tần suất đóng/cắt cao.
Sau bài này khi học xong bài này người học có khả năng:
- Phân biệt được các linh kiện điện tử công suất
- Trình bày được cấu trúc, đặc tính của các linh kiện điện tử công suất
- Phân tích được các lỗi thường gặp, nguyên nhân, biện pháp khắc phục
- Đo, kiểm tra được chất lượng của linh kiện điện tử công suất
- Phòng tránh, khắc phục được các lỗi thường gặp khi đo, kiểm tra
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
- Tự chịu trách nhiệm khi thực hiện các việc được giao
Diode công suất khác biệt so với diode thường nhờ vào cấu trúc PsN, bao gồm ba vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau Giữa hai vùng bán dẫn PN, có một vùng S với mật độ tạp chất rất thấp, tạo nên tính năng đặc trưng của diode công suất.
Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN
1.1 Đặc tính của diode công suất
Hình 2.2: Đặc tuyến V-A của diode
- Giá trị điện áp đánh thủng UBR
- Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM
- Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM
* Dòng điện – nhiệt độ làm việc:
- Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M
- Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM
* Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch
Diode được điều khiển sẽ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng điện qua nó bằng 0, mặc dù cực tính điện áp đặt trên diode có thể thay đổi.
Hình 2.3 Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp
Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau:
- Công tắc hở khi IF < 0A
Trong quá trình làm việc, xung nhiễu có thể làm tăng điện áp nghịch tức thời trên diode, nhưng cần đảm bảo không vượt quá giá trị cho phép URRM Trong mạch chỉnh lưu, giá trị này thường được chọn với hệ số an toàn từ 1,5 đến 2.
Khi sử dụng tụ lọc trong mạch chỉnh lưu, điện áp nghịch đặt trên diode sẽ bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào, với URRM nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2.
1.2 Trình tự thực hiện a Mục đích: Đo, kiểm tra diode b Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị:
- Mudun linh kiện chứa diode công suất
- Dây có chốt cắm hai đầu
- Đồng hồ VOM c Thực hiện:
* Cách 1: Dùng đồng hồ VOM để ở thang X10, đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu:
- Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt
- Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập
- Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt
- Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò
* Cách 2: Cấp nguồn DC thao sơ đồ mạch:
- Dương nguồn nối vào bóng đèn -> cực A của diode -> cực K nối cực âm nguồn DC
- Dương nguồn nối vào bóng đèn -> cực K của diode -> cực A nối cực âm nguồn DC
1.3 Một số sai hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục, phòng tránh
STT Hư hỏng( lỗi) Nguyên nhân BP khắc phục
1 Bóng đèn không sáng khi kết nối theo chiều thuận
Dây kết nối lỏng Kiểm tra dây kết nối
2 Đồng hồ đo cả 2 chiều kim đều không lên Đặt sai thang đo hoặc que đo bị dứt Đặt đúng thang đo Kiểm tra que đo
2.1 Đặc tính của Transistor MOSFET
Hình 2.4 Cấu tạo của MOSFET
15 a Loại kênh đặt sẵn; b Loại kênh cảm ứng
Ký hiệu quy ước của MOSFET kênh N và kênh P đặt sẵn
Hình 2.5: Họ đặc tuyến ra của MOSFET a Với loại kênh đặt sẵn; b Với loại kênh cảm ứng
Trong chế độ làm việc bình thường, điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc UGS = 0 dẫn đến việc kênh dẫn không xuất hiện, tạo ra tiếp giáp pn phân cực ngược giữa cực gốc và cực máng Khi đó, điện áp UDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng điện trở lớn của tiếp giáp này, khiến dòng qua cực gốc và cực máng trở nên nhỏ.
Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn 0, vùng bề mặt tiếp giáp của cực điều khiển sẽ xảy ra hiện tượng tích tụ các lỗ, dẫn đến dòng điện giữa cực máng và cực gốc gần như không có.
Khi điện áp điều khiển UGS lớn hơn 0 và đủ mạnh, vùng bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, tạo thành một kênh dẫn thực sự Do đó, dòng điện giữa cực máng và cực gốc sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS.
2.2 Trình tự thực hiện a Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị
- Mudun linh kiện chứa MOSFET công suất
- Dây có chốt cắm hai đầu
- Máy hiện sóng b.Qui trình thực hiện
Điện trở thuận và điện trở nghịch của MOSFET rất lớn, vì vậy khi thử nghiệm các tiếp giáp G - D và G - S, cần sử dụng đồng hồ ở thang cao nhất (Rx10K) Nếu cả hai lần đo điện trở thuận và nghịch đều không lên kim, thì MOSFET vẫn hoạt động tốt Ngược lại, nếu kim lên, điều đó cho thấy MOSFET có thể đã bị rỉ hoặc bị nối tắt.
Khi kiểm tra MOSFET công suất, cần lưu ý rằng giữa cực D và S thường có Diode đệm Khi đo ở thang Rx1, kim đồng hồ sẽ chỉ lên một chiều, phụ thuộc vào loại MOSFET là kênh P hay kênh N Để thực hiện đo, đặt que đen vào cực G, que đỏ vào cực D và S, nhưng trong tất cả các lần đo, kim đồng hồ không phản hồi.
Khi kiểm tra MOSFET, nếu đặt que đen vào cực S và que đỏ vào cực D, kim chỉ số ohm sẽ hiển thị giá trị thấp Ngược lại, khi đặt que đen vào cực D và que đỏ vào cực S, kim sẽ chỉ ra giá trị ohm cao hơn Nếu tiếp tục đặt que đen vào cực D và que đỏ vào cực S, khi chạm tay vào giữa D và G, kim chỉ số ohm sẽ giảm xuống Cuối cùng, khi chạm tay vào giữa G và S, kim chỉ số ohm sẽ tăng lên.
Chú ý: Độ nhạy của MOSFET càng cao, kim về càng nhiều MOSFET có công suất càng cao, độ nhạy càng thấp
Trong thực tế thường gặp MOSFET hỏng ở dạng bị chạm mối nối D – S
Khi kiểm tra MOSFET, đặt que đen vào cực D và que đỏ vào cực S sẽ cho chỉ số ohm thấp (gần 2Ω) Ngược lại, khi đặt que đen vào cực S và que đỏ vào cực D, chỉ số ohm sẽ cao hơn Nếu chạm tay vào giữa D và G, chỉ số ohm sẽ giảm thấp, trong khi chạm vào giữa G và S sẽ làm cho chỉ số ohm tăng lên.
2.3 Một số sai hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục, phòng tránh
STT Hư hỏng( lỗi) Nguyên nhân BP khắc phục
1 MOSFET kênh N: Đặt que đen vào cực D, que đỏ vào cực S Dùng tay chạm giữa D và
G kim chỉ số ohm giảm thấp Lúc này, nếu dùng tay chạm giữa G và S kim chỉ số ohm không tăng
Trở tay thấp Dùng điện trở nối giữa G và S để tăng điện trở
2 MOSFET kênh P: Đặt que đen vào cực S, que đỏ vào cực D Nếu dùng tay chạm giữa
D và G kim chỉ số ohm giảm thấp Lúc này, nếu dùng tay chạm giữa G và S kim chỉ số ohm không tăng
Trở tay thấp Dùng điện trở nối giữa G và S để tăng điện trở
3.1 Đặc tính của Thyristor SCR
* Cấu tạo và ký hiệu
Cấu trúc và ký hiệu của SCR được thể hiện trên (hình 2.7)
Hình 2.6: Cấu trúc và ký hiệu của SCR
SCR là linh kiện bán dẫn có cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 và đưa ra 3 cực
Hình 2.7: Đặc tính V- A Đặc tính V- A của SCR gồm 2 phần:
- Đặc tính thuận: Nằm trong góc phần tư thứ I, tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0
- Đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ II, tương ứng với trường hợp UAK < 0
Khi dòng vào cực điều khiển bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển sẽ cản trở dòng điện ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp UAK
Khi điện áp UAK nhỏ hơn 0, hai tiếp giáp J1 và J3 sẽ phân cực ngược, trong khi lớp J2 phân cực thuận Trong trạng thái này, SCR hoạt động như hai điốt mắc nối tiếp với phân cực ngược, dẫn đến chỉ một dòng điện rất nhỏ, được gọi là dòng rò, chạy qua SCR.
Khi UAK đạt đến giá trị điện áp lớn nhất Ung.max, hiện tượng đánh thủng SCR sẽ xảy ra, dẫn đến dòng điện tăng lên đáng kể và gây hỏng hóc cho SCR.
Khi điện áp UAK vượt quá 0, ban đầu chỉ có một dòng điện nhỏ gọi là dòng rò chạy qua, do điện trở tương đương của mạch anot – catot vẫn cao Các tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận, trong khi J2 phân cực ngược Hiện tượng này tiếp diễn cho đến khi điện áp UAK đạt giá trị điện áp thuận lớn nhất.
LẮP RÁP MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT CÓ ĐIỀU KHIỂN
Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển
Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất ba pha có điều khiển
Bài 3 : Lắp ráp mạch chỉnh lưu có điều khiển
1 Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển
2 Lắp ráp mạch chỉnh lưu công suất ba pha có điều khiển
Bài 4: Lắp ráp mạch điều chỉnh điện áp
1 Lắp ráp mạch điều áp một chiều
2 Lắp ráp mạch điều áp xoay chiều một pha
5 Bài 5: Lắp ráp mạch nghịch lưu 15 4 10 1
1 Lắp ráp mạch nghịch lưu 1 pha
2 Lắp ráp mạch nghịch lưu 3 pha
6 Thi kết thúc mô đun 2 2
Bài học này trình bày nguyên lý đóng/cắt mạch điện xoay chiều và một chiều bằng các linh kiện bán dẫn công suất như Diode, BJT, MOSFET, Thyristor và Triac Phương pháp này ngày càng thay thế các thiết bị đóng/cắt cơ học nhờ vào những ưu điểm vượt trội, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và tần suất đóng/cắt cao.
Sau bài này khi học xong bài này người học có khả năng:
- Phân biệt được các linh kiện điện tử công suất
- Trình bày được cấu trúc, đặc tính của các linh kiện điện tử công suất
- Phân tích được các lỗi thường gặp, nguyên nhân, biện pháp khắc phục
- Đo, kiểm tra được chất lượng của linh kiện điện tử công suất
- Phòng tránh, khắc phục được các lỗi thường gặp khi đo, kiểm tra
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
- Tự chịu trách nhiệm khi thực hiện các việc được giao
Diode công suất khác với diode thông thường ở cấu trúc, bao gồm ba vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau, được gọi là cấu trúc PsN Giữa hai vùng bán dẫn PN, có một vùng S với mật độ tạp chất rất thấp.
Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN
1.1 Đặc tính của diode công suất
Hình 2.2: Đặc tuyến V-A của diode
- Giá trị điện áp đánh thủng UBR
- Giá trị cực đại điện áp ngược lập lại: URRM
- Giá trị cực đại điện áp ngược không lập lại: URSM
* Dòng điện – nhiệt độ làm việc:
- Giá trị trung bình cực đại dòng điện thuận: IF(AV)M
- Giá trị cực đại dòng điện thuận không lập lại: IFSM
* Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch
Diode được điều khiển sẽ chuyển đổi giữa trạng thái dẫn và tắt dựa vào cực tính của điện áp áp dụng Tuy nhiên, diode chỉ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng điện qua nó đạt giá trị bằng 0.
Hình 2.3 Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp
Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau:
- Công tắc hở khi IF < 0A
Trong quá trình làm việc, xung nhiễu có thể làm tăng điện áp ngược tức thời lên diode, nhưng cần đảm bảo rằng điện áp này không vượt quá giá trị cho phép URRM Trong mạch chỉnh lưu, giá trị URRM thường được chọn với hệ số an toàn từ 1,5 đến 2.
Khi sử dụng tụ lọc trong mạch chỉnh lưu, điện áp nghịch đặt trên diode sẽ bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào.
1.2 Trình tự thực hiện a Mục đích: Đo, kiểm tra diode b Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị:
- Mudun linh kiện chứa diode công suất
- Dây có chốt cắm hai đầu
- Đồng hồ VOM c Thực hiện:
* Cách 1: Dùng đồng hồ VOM để ở thang X10, đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu:
- Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt
- Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập
- Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt
- Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò
* Cách 2: Cấp nguồn DC thao sơ đồ mạch:
- Dương nguồn nối vào bóng đèn -> cực A của diode -> cực K nối cực âm nguồn DC
- Dương nguồn nối vào bóng đèn -> cực K của diode -> cực A nối cực âm nguồn DC
1.3 Một số sai hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục, phòng tránh
STT Hư hỏng( lỗi) Nguyên nhân BP khắc phục
1 Bóng đèn không sáng khi kết nối theo chiều thuận
Dây kết nối lỏng Kiểm tra dây kết nối
2 Đồng hồ đo cả 2 chiều kim đều không lên Đặt sai thang đo hoặc que đo bị dứt Đặt đúng thang đo Kiểm tra que đo
2.1 Đặc tính của Transistor MOSFET
Hình 2.4 Cấu tạo của MOSFET
15 a Loại kênh đặt sẵn; b Loại kênh cảm ứng
Ký hiệu quy ước của MOSFET kênh N và kênh P đặt sẵn
Hình 2.5: Họ đặc tuyến ra của MOSFET a Với loại kênh đặt sẵn; b Với loại kênh cảm ứng
Trong chế độ làm việc bình thường, UDS lớn hơn 0 Khi điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng 0 (UGS = 0), kênh dẫn không xuất hiện, tạo ra tiếp giáp pn phân cực ngược giữa cực gốc và cực máng Lúc này, điện áp UDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng điện trở lớn của tiếp giáp, dẫn đến dòng qua cực gốc và cực máng rất nhỏ.
Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn 0, bề mặt tiếp giáp của cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ, dẫn đến dòng điện giữa cực máng và cực gốc gần như không tồn tại.
Khi điện áp điều khiển UGS lớn hơn 0 và đủ cao, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ điện tử, tạo thành một kênh dẫn thực sự Do đó, dòng điện giữa cực máng và cực gốc sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS.
2.2 Trình tự thực hiện a Thiết bị và dụng cụ chuẩn bị
- Mudun linh kiện chứa MOSFET công suất
- Dây có chốt cắm hai đầu
- Máy hiện sóng b.Qui trình thực hiện
Điện trở thuận và điện trở nghịch của MOSFET rất lớn, do đó khi thử nghiệm các tiếp giáp G - D và G - S, cần sử dụng đồng hồ ở thang cao nhất (Rx10K) Nếu cả hai lần đo điện trở thuận và nghịch không hiển thị kim lên, điều này cho thấy MOSFET vẫn hoạt động tốt Ngược lại, nếu kim lên, có thể MOSFET đã bị rỉ hoặc bị nối tắt.
Khi kiểm tra MOSFET công suất, cần lưu ý rằng giữa cực D và S thường có Diode đệm Khi đo ở chế độ Rx1, đồng hồ sẽ có một chiều kim lên, phụ thuộc vào đặc tính của MOSFET là kênh P hay kênh N Để thực hiện đo, hãy lần lượt đặt que đen vào G, que đỏ vào D và S Trong quá trình đo, kim đồng hồ sẽ không lên trong tất cả các lần kiểm tra.
Khi kiểm tra MOSFET, nếu đặt que đen vào cực S và que đỏ vào cực D, kim chỉ số ohm sẽ thấp Ngược lại, khi đặt que đen vào cực D và que đỏ vào cực S, kim chỉ số ohm sẽ cao hơn Nếu chạm tay vào giữa cực D và G, kim chỉ số ohm sẽ giảm, trong khi khi chạm vào giữa cực G và S, kim chỉ số ohm sẽ tăng lên.
Chú ý: Độ nhạy của MOSFET càng cao, kim về càng nhiều MOSFET có công suất càng cao, độ nhạy càng thấp
Trong thực tế thường gặp MOSFET hỏng ở dạng bị chạm mối nối D – S
Khi đo điện trở của MOSFET, đặt que đen vào cực D và que đỏ vào cực S sẽ cho chỉ số ohm thấp, gần 2Ω Nếu đổi vị trí, đặt que đen vào cực S và que đỏ vào cực D, chỉ số ohm sẽ cao hơn Khi chạm tay vào giữa D và G, chỉ số ohm sẽ giảm thấp, nhưng nếu chạm vào giữa G và S, chỉ số ohm sẽ tăng lên.
2.3 Một số sai hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục, phòng tránh
STT Hư hỏng( lỗi) Nguyên nhân BP khắc phục
1 MOSFET kênh N: Đặt que đen vào cực D, que đỏ vào cực S Dùng tay chạm giữa D và
G kim chỉ số ohm giảm thấp Lúc này, nếu dùng tay chạm giữa G và S kim chỉ số ohm không tăng
Trở tay thấp Dùng điện trở nối giữa G và S để tăng điện trở
2 MOSFET kênh P: Đặt que đen vào cực S, que đỏ vào cực D Nếu dùng tay chạm giữa
D và G kim chỉ số ohm giảm thấp Lúc này, nếu dùng tay chạm giữa G và S kim chỉ số ohm không tăng
Trở tay thấp Dùng điện trở nối giữa G và S để tăng điện trở
3.1 Đặc tính của Thyristor SCR
* Cấu tạo và ký hiệu
Cấu trúc và ký hiệu của SCR được thể hiện trên (hình 2.7)
Hình 2.6: Cấu trúc và ký hiệu của SCR
SCR là linh kiện bán dẫn có cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 và đưa ra 3 cực
Hình 2.7: Đặc tính V- A Đặc tính V- A của SCR gồm 2 phần:
- Đặc tính thuận: Nằm trong góc phần tư thứ I, tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0
- Đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ II, tương ứng với trường hợp UAK < 0
Khi dòng vào cực điều khiển bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển sẽ cản trở dòng điện ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp UAK
Khi điện áp UAK nhỏ hơn 0, hai tiếp giáp J1 và J3 sẽ phân cực ngược, trong khi lớp J2 phân cực thuận Trong trạng thái này, SCR hoạt động giống như hai điốt mắc nối tiếp với phân cực ngược, dẫn đến chỉ có một dòng điện rất nhỏ, được gọi là dòng rò, chạy qua SCR.
Khi điện áp UAK tăng đến giá trị cực đại Ung.max, hiện tượng đánh thủng SCR sẽ xảy ra, dẫn đến dòng điện tăng mạnh và gây hỏng hóc cho SCR.
Khi điện áp UAK vượt quá 0, ban đầu chỉ có một dòng điện nhỏ, được gọi là dòng rò, chạy qua mạch Điện trở tương đương giữa anot và catot vẫn rất lớn Các tiếp giáp J1 và J3 hoạt động ở chế độ phân cực thuận, trong khi J2 ở chế độ phân cực ngược Dòng điện sẽ tiếp tục tăng cho đến khi điện áp UAK đạt đến giá trị tối đa của điện áp thuận.
