Thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch băm xung một chiều

Để tính toán các giá trị cho mạch băm xung một chiều, trước hết ta cần có các số liệu ban đầu như sau:

Ung = 300V.

Rtải = 50.

Itải = 6A.

Thời gian dẫn nhỏ nhất có thể được của S1 là : Ton = 500s.

Thời gian khoá của SCR được chọn thiết kế là : toff = 50s.

Khoảng điện áp điều chỉnh được từ 30V  300V.

Tỷ số chu kỳ nhỏ nhất là :

Dmin = 30/300 = 0.1 Chu kỳ của bộ băm là :

T = Ton/D = 500/0.1 = 5000s.

Và tần số lớn nhất có thể được của bộ băm là :

f = 1/T = (1/5000).106 = 200Hz.

Dựa trên những thông số chọn ở trên, và để cho mạch hoạt động tốt thì các thông số của mạch băm được tính toán như sau :

a. Thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp . Như đã khảo sát ở chương III, ta có sơ đồ mạch băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp như hình III.4 :

Đầu tiên để chọn tụ điện, ta nhận thấy rằng theo dạng sóng điện áp của us1, thời gian khoá của SCR S1 nằm ở giữa khoảng tăng theo hàm mũ từ –E đến +E. Với mạch dao động L – C, tại thời điểm t = 0, bắt đầu khoá S1, ta có :

us1 = E + Ae-t/T Trong đó : T = RC là thời hằng nạp xả của tụ điện . Với us1 = -E ở t = 0, do đó A = -2E. Từ đó suy ra :

us1 = E –2Ee-t/T Khi us1 = 0 thì t = thời gian khóa của S1 = 60s, do đó :

us1 = 300 – 2.(300)e-(60.10-6)/T = 0 Suy ra :

T = 87s Trong mạch dao động R – C, ta lại có :

T = RC

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 36

Do đó, C = T/R = 87/50 = 1.73F.

Ta chọn C = 2.2F.

Theo nguyên lý hoạt động của mạch trên cho ta biết thời gian khoá của SCR S1 bằng một phần tư chu kỳ dao động của L – C, nên ta có :

Suy ra L = 0.66mH

Để tính dòng điện dao động lớn nhất trong mạch dao động L-C, ta cân bằng biểu thức sau :

ẵCU2 = ẵLI2 Và ta có được dòng ICmax = 17.3A.

Để chọn SCR, ta nhận thấy rằng, dòng điện qua S1 sẽ là : IS1max = Itải + ICmax = 6 + 17.3 = 23.3A.

Như vậy, ta phải chọn SCR S1 có khả năng chịu được dòng điện lớn hơn hoặc bằng 23.3A để nó có thể hoạt động tốt trong mạch. Đối với S2 thì nó chỉ chịu dòng điện nạp và xả qua tụ C nên có thể chọn với giá trị dòng điện thấp hơn.

Tính số vòng dây của cuộn dây L : Theo công thức ta có:

l S L N

2

0

 Trong đó : d

L : chiều dài cuộn dây. l N : số vòng dây của cuộn dây.

0 : hệ số từ thẩm.

S : diện tích cuộn dây.

Từ công thức trên ta có:

S l N L

. .

0



Ở đây chọn : d = 0.05m, l = 0.05m, 0 = 4.10-7 Thay soá:

Sơ đồ mạch băm được thể hiện như sau : .

10 . 60 42

1 6

s LC

toff    

R vong

N 115

10 4

05 . 0 10 660

2 7

6 







  





E

S1

S2 Rt

L

C XK2

XK1 50

2.2uF

0.66mH

D1 D2

+

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 37

b. thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện : Sơ đồ mạch điện như hình III.8 đã khảo sát ở phần trước, với các giá trị cho ở trên, ta tính các trị số của mạch băm như sau :

Trong thực tế, khi mạch được cấp điện với điện áp nguồn, tụ C sẽ được nạp qua điện trở R đến một giá trị gần gần bằng điện áp nguồn. Thời gian chuyển mạch đủ nhỏ (so với thời gian làm việc) nên dòng điện coi như không đổi trong giai đoạn này và có trị số bằng Icmax .

Đối với điện trở R ta chọn sao cho trị số của nó vừa đủ lớn để dòng điện qua nó không đáng kể so với dòng dao động của mạch LC. Đồng thời vừa đủ nhỏ để đáp ứng tụ C kịp nạp gần bằng nguồn. Thông thường giá trị của R được là 100K.

Dòng điện dao động trong L - C có dạng hình Sin (hình IV.2), nên ta có :

L t U C

L t U C

t I

ic  Cmaxsin  Cmax sin  ngmax sin

Để cho mạch băm hoạt động được một cách chắc chắn, ta cần có : Icmax = KItai (K > 1). Thông thường K được chọn bằng 2 (K = 2).

Do đó:

2Itmax

L

U C  (1)

Theo nguyên lý hoạt động của mạch (lý tưởng) thì thời gian tắt (toff) của Sc là : toff Nhưng trong thực tế thì thời gian này phải là : toff t

Với t : là khoảng thời gian trể của SCR, chọn t = 10.

Để thời gian tắt có thể duy trì cho SCR phục hồi chức năng khóa khi chưa có xung kích, ta caàn :

) 3 (

2 k tk toff t toff

LC T 

ICmax

Itải

Hình IV.2

Dạng sóng của mạch dao động L – C.

Hình IV. 1

Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp.

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 38

Với

t LC

 1

 Suy ra:

) 2 3 ( ) 2 1 (t t   LC off

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta có:

) 3 (

) 4 (

3

t U t

C I

t I t

L U

off ng

t off t ng

















Thay số ta có:

F F

C

mH H

L

 2 . 1 ) ( 10 ) 10 50 14( . 3 300

6 3

72 . 0 ) ( 10 ) 10 50 6( 14 . 3 4

300 3

6 6





 

 





 



 





Vậy chọn : L = 0.72mH C = 1F

Công thức tính số vòng dây của cuộn dây:

l S L N

2

0

 Suy ra

S l N L



 

0

Nếu ta chọn quấn cuộn dây có chiều dài là 50cm và đường kính là 50cm thì số vòng dây phải quấn là :

Vong

N 120

2 05 . 14 0 . 3 10 14 . 3 4

05 . 0 10 720

2 7

6





 













 





Về việc tính dòng điện để chọn SCR cho phù hợp, ta biết rằng S1 chỉ chịu dòng điện tải cho nên ta có thể chọn S1 có mức chịu đựng điện áp lớn hơn dòng điện tải là được. Còn đối với S2 thì dòng điện qua nó được tính là lớn hơn dòng điện tải (thông thường là lớn hơn hai lần). Cho nên SCR S2 phải có mức chịu dòng lớn hơn hai lần dòng điện tải thì mạch băm có thể hoạt động tốt.

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 39

Hình IV.3

Sơ đồ mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng ủieọn.

Mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện có các giá trị như hình vẽ sau :

2. Thiết kế và tính toán các giá trị cho mạch tạo xung kích :

Như ta đã biết, mạch tạo xung kích cho SCR trong mạch băm xung phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về tần số và thời điểm kích như đã đề cập đến trong chương III.

Để tính toán các giá trị cho mạch ở hình III.16 với tần số làm việc là 200Hz, trước hết ta chọn nguồn cung cấp cho toàn mạch là 12V và việc tính toán được thực hiện như sau :

a. Tìm trị số cho các linh kiện trong bộ phận tạo tần số cơ bản có độ rộng xung thay đổi được.

Bộ phận này gồm IC 741A, IC 741B, IC 741C R1, R2, R3, R4, R5, C1 và C2 thực hiện. Ở bộ dao động tạo sóng cơ bản đầu tiên, chu kỳ của nó được tính là :

Trong đó :

Ta chọn R2 = 10k, R3 = 2.2k.

Tần số là f = 200Hz nên ta có chu kỳ T = 5ms. Do đó : R1C1 = 3.6ms.

Khi ta chọn C1 = 1F thì R1 = 3.6k (lấy R1 = 3.3k).

Sóng vuông do bộ phận trên tạo ra có biên độ đỉnh - đỉnh là 24V và tỉ số chu kỳ là : D

= 0.5 cho nên thời gian ở mức cao của xung là 2.5ms.

Để chuyển sóng vuông được tạo ra ở trên thành sóng tam giác, ta cần tính :







 

1 ln1 2R1C1 T

3 2

3

R R

R

 



Vms t

Vra

6 . 5 9 . 2 24 

 



XK2 XK1

E Rt

C

L

D1 D2

R 50

1uF

100K 0.72mH

+ -

S1

S2 D3

18 . 2 0 . 2 10

2 .

2 

 



K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 40

Vỡ moỏi quan heọ :

Nên ta có :

R4C2 = 2.5ms.

Chọn C2 = 0.47F thì R4 = 5.3k (lấy R4 = 4.7k) Thông thường R5 chọn bằng R4 = 4.7k.

Sóng tam giác này là tín hiệu so sánh với điện áp một chiều đưa vào từ biến trở VR để tạo ra sóng vuông có độ rộng xung thay đổi được. Muốn thay đổi độ rộng xung ta chỉ việc thay đổi mức điện áp so sánh bằng cách chỉnh biến trở này. Giá trị của biến trở được chọn là 5k.

b. Tính các giá trị cho bộ phận tạo xung đơn ổn :

Bộ phận này gồm hai mạch đơn ổn riêng biệt và hoàn toàn giống nhau nhằm cung cấp xung kích cho hai SCR trong mạch băm xung một chiều. Chúng bao gồm IC AN555A,

IC AN555B, R11, R12, C1 và C2 thực hiện.

Độ rộng xung đơn ổn được chọn để thiết kế là 0.5ms. Độ rộng này là không đổi trong khi thay đổi độ rộng xung ở ngõ vào. Độ rộng xung trong mạch đơn ổn dùng IC555

được tính là :

T = R11C5ln3 = R12C6ln3

Khi T = 0.5ms, ta có : R11C5 = R12C6 = 0.454ms.

Chọn C5 = C6 = 1F thì điện trở R11 = R12 = 454. Vậy giá trị các linh kiện phải chọn là : C5 = C6 = 1F; R11 = R12 = 470.

c. Tính các giá trị cho mạch dao động tần số cao.

Mạch dao động tần số cao này nhằm mục đích trộn với xung đơn ổn để tăng khả năng kích cho mạch tạo xung kích. Tần số thiết kế cho bộ phận này khoảng 10KHz. Với tần số đó, ta tính các giá trị cho bộ phận này với các linh kiện IC AN555C, IC AN555D,

R17, R18, R19, R20, C9, C10, D2 và D3.

Để xung ra có được tỉ số chu kỳ là D = 0.5 thì ta phải có R17 = R18 = R19 = R20 và thêm diode D2 mắc song song với R18, diode D3 mắc song song với R20.

Tần số của bộ dao động này được tính là :

Từ đó ta có : R17C9 = 0.072ms.

Chọn C9 = C10 = 0.1F thì R17 = 0.72k.

Vậy các linh kiện cần phải chọn là : C9 = C10 = 0.1F

R17 = R18 = R19 = R20 = 1k.

d. Thiết kế bộ phận đưa xung kích ra ngoài.

Sau khi có xung đơn ổn và xung dao động tần số cao, ta trộn chúng lại với nhau bằng các cổng AND trong IC2. Kết quả sẽ cho ta một chuổi xung kích trong khoảng xung đơn

ổn ở mức cao. Các xung kích này sẽ được đưa đến các OPTO 4N26A và 4N26B để đưa Vms

C R

V t

Vra và 6 . 9

2 4



 



9

4 17

. 1

1 C f  R

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 41

xung ra ngoài kích cho SCR. Xung kích được đưa ra OPTO thông qua transistor Q7 và Q8. Các transistor này làm việc theo chế độ đóng ngắt nên các điện trở mắc nối tiếp với OPTO được chọn thiết kế theo dòng bảo hòa của diode trong OPTO. Đối với OPTO 4N26

thì dòng bảo hòa là 5mA, cho nên các giá trị của điện trở R28 và R26 được chọn là : R26 = R28 = U/I = 12/5.10-3 = 2.4k.

Trong thực tế, ta chọn : R26 = R28 = 2.2k.

Việc dùng các OPTO này nhằm cách li điện thế cao từ mạch băm xung một chiều với mạch tạo xung kích.

Sơ đồ mạch điện được thể hiện lại như sau (hình IV.4) :

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 33

Hình IV.4

Sơ đồ mạch tạo xung kích cho SCR.

K IL O B O O K S .C O M

TRANG : 34