Giáo trình Điện tử công nghiệp (Trình độ Cao đẳng)

nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế theo phương thức công nghiệp hóa. Vì vậy giáo trình Điện tử công nghiệp là một nội dung học tập không thể thiếu của những ngành có liên quan đến vận hành, quản lý, sửa chữa các máy móc, trang bị và dây chuyền công nghệ. Nội dung giáo trình gồm 5 chương, theo trình tự: Chương 1: Tổng quan về điện tử công nghiệp. Chương 2: Mạch chỉnh lưu Chương 3: Các bộ khuếch đại Chương 4: Các bộ tạo tín hiệu Chương 5: Các bộ nguồn Nội dung của bài giảng khá rộng, vì vậy tùy theo yêu cầu ngành học mà có thể đi sâu và chương này và có thể tìm hiểu khái quát ở chương kia. Trong quá trình biên soạn bản thân tôi đã cố gắng trình bày các nội dung một cách đơn giản dễ hiểu nhất, để người đọc có thể tự học. Giáo trình biên soạn cho đối tượng học sinh sinh viên học nghề tại các trường chuyên nghiệp. Trong quá trình biên soạn bản thân tôi cố gắng cập nhật những tiến bộ khoa học được áp dùng vào trong thực tế sản xuất và diễn đạt một cách đơn giản, dễ hiểu nhất. Tuy nhiên vẫn không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy rất mong sự đóng góp của đồng nghiệp, bạn bè và các em học sinh sinh viên để bài giảng được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn Lào cai, ngày ..tháng ..năm Tham gia biên soạn Chủ biên: Phạm Thị Huê 3 MỤC LỤC Trang Lời giới đầu 1 Mục lục 2, 3 Chương 1: Tổng quan về điện tử công nghiệp 4 1 Giới thiệu chung về điện tử công nghiệp 4 1.1 Điện tử công nghiệp 4 1.2 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất 4 2 Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công nghiệp 4 2.1 Các linh kiện điện tử thụ động: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm 4 2.2 Các linh kiện điện tử tích cực: Điốt; Tranzito; Thyristo; Triac 12 Chương 2: Mạch chỉnh lưu 17 1 Mạch chỉnh lưu không điều khiển 17 1.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 17 1.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ 18 1.3 Chỉnh lưu ba pha nửa chu kỳ 19 1.4 Chỉnh lưu ba pha hai nửa chu kỳ 20 2 Chỉnh lưu có điều khiển 21 2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Chỉnh lưu có điều khiển một pha nửa chu kỳ 22 Chương 3: Các bộ khuyếch đại 25 1 Các khái niệm cơ bản 25 1.1 Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuyếch đại 25 1.2 Các tham số cơ bản của tầng khuyếch đại 25 1.3 Các chế độ làm việc của tầng khuyếch đại 26 1.4 Hồi tiếp trong phản hồi 26 2 Tầng khuyếch đại dùng Tranzito Bipolar 26 2.1 Tầng khuyếch đại Emitơ chung EC 26 2.2 Tầng khuyếch đại Colectơ chung CC 27 2.3 Tầng khuyếch đại Bazơ chung BC 29 3 Ghép giữa các tầng khuyếch đại 29 3.1 Lý do ghép tầng 29 3.2 Ghép tầng dùng tụ điện 30 3.3 Ghép tầng bằng máy biến áp 33 4 Khuyếch đại một chiều 33 4.1 Khái niệm chung 33 4 4.2 Tầng khuyếch đại vi sai 34 5 Khuyếch đại công suất 36 5.1 Khuyếch đại công suất chế độ A 36 5.2 Khuyếch đại công suất chế độ B 38 6 Khuyếch đại dùng vi mạch thuật toán 39 6.1 Khái niệm chung 39 6.2 Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán 42 Chương 4: Các bộ tạo tín hiệu 49 1 Bộ tạo tín hiệu hình sin 49 1.1 Mạch tạo tín hiệu có ghép biến áp 49 1.2 Mạch tạo tín hiệu dùng cầu Wien 49 1.3 Mạch tạo tín hiệu dùng thạch anh 50 2 Bộ tạo tín hiệu xung chữ nhật (hay xung vuông) 51 2.1 Bộ phát xung vuông 51 2.2 Đa hài Rôi - e phát xung vuông 52 2.3 Mạch tạo xung vuông dùng UJT 53 3 Bộ tạo tín hiệu xung răng cưa (hay xung tam giác) 54 3.1 Mạch dùng UJT 54 3.2 Mạch dùng BJT 55 Chương 5: Các bộ nguồn 59 1 Khái niệm và phân loại. 59 1.1 Khái niệm; 59 1.2 Phân loại 59 2 Bộ biến đổi một chiều - một chiều 61 2.1 Bộ điều chỉnh xung áp một chiều nối tiếp; 61 2.2 Bộ điều chỉnh xung áp một chiều song song 63 2.3 Bộ điều chỉnh xung áp một chiều nối tiếp - song song; 64 2.4 Bộ điều chỉnh xung áp một chiều đảo điện áp 65 3 Bộ nguồn xoay chiều 66 3.1 Bộ biến đổi một chiều - xoay chiều nguồn áp một pha 66 3.2 Bộ biến đổi một chiều - xoay chiều nguồn dòng một pha 68 3.3 Bộ biến đổi một chiều - xoay chiều nguồn áp ba pha; 69 3.4 Bộ biến đổi một chiều - xoay chiều nguồn dòng 3 pha 71 4 Bộ lọc 71 4.1 Bộ lọc dùng tụ điện 72 4.2 Bộ lọc RC và LC 74 5 NỘI DUNG CHI TIẾT CỦA CỦA TÀI LIỆU GIẢNG DẠY/ TẬP BÀI GIẢNG MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm chung về điện tử công nghiệp. - Nhận biết được các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công nghiệp. - Đọc và đo được mốt số linh kiện cơ bản - Rèn luyện tính cẩn thận, nghiêm túc trong học tập. Nội dung chính: 1. Giới thiệu chung về điện tử công nghiệp 1.1. Điện tử công nghiệp Điện tử công nghiệp là nghề chuyên thực hiện quá trình thiết kế, xử lý và lắp đặt các mạch. Người làm nghề Điện tử công nghiệp thường được bố trí làm việc ở các nhà máy hoặc phân xưởng, các công ty, doanh nghiệp điện, điện tử. Làm việc trong các tổ cơ điện, phòng bảo dưỡng bảo trì thiết bị điện của các nhà máy, xí nghiệp. Người làm nghề “Điện tử công nghiệp” có nhiệm vụ: Lắp ráp, vận hành các thiết bị điện tử trong xí nghiệp và dây chuyền công nghiệp; lắp đặt và sửa chữa, bảo dưỡng các mạch điện tử cơ bản; lắp đặt và sửa chữa bảo dưỡng các khí cụ điện hạ thế; lắp đặt và sửa chữa, bảo dưỡng các bộ điều khiển; lắp đặt và bảo trì các mạch xung – số; lắp đặt và sửa chữa các vi mạch số và IC thông dụng; phân tích, lắp ráp các bộ biến đổi công suất; lắp đặt các hệ thống đo lường điện tử; lắp đặt các tủ điều khiển thiết bị công nghiệp, các thiết bị và hệ thống bảo vệ, các bảng mạch điện tử công nghiệp; kiểm tra sửa chữa được các hư hỏng trên thiết bị điện tử công nghiệp; thay thế tương đương, linh kiện, mạch điện hư hỏng đơn giản trên thiết bị điện tử công nghiệp; hiệu chỉnh được các thông số kỹ thuật của mạch điện; xử lý một số tình huống phát sinh trong quá trình làm việc của thiết bị; lập trình đơn giản các phần mềm khi có sự cố; kết nối mạch điện đúng theo sơ đồ nguyên lý; chống ẩm và rò điện tốt cho thiết bị; vận hành chạy 6 thử toàn bộ mạch điện; thực hiện các biện pháp an toàn lao động, an toàn điện và vệ sinh công nghiệp” 1.2. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất Phần tử bán dẫn đóng cắt với kích thước nhỏ nhưng chịu được điện áp, dòng điện càng lớn và tổn hao công suất thấp. 2. Các linh kiện chuyển mạch trong điện tử công nghiệp. 2.1. Các linh kiện điện tử thụ động Trong mạch điện, trạng thái điện của một linh kiện (hay phần tử) được thể hiện bởi hai thông số trạng thái là điện áp đặt trên linh kiện và dòng điện chạy qua nó. Các phần tử tạo ra điện áp hay dòng điện gọi là nguồn điện áp (nguồn áp) hay nguồn dòng điện (nguồn dòng). Các phần tử không tạo được điện áp hay dòng điện gọi là các phần tử tiêu thụ điện (các phụ tải). Tùy theo yêu cầu sử dụng, các linh kiện được chế tạo dưới nhiều dạng khác nhau và có những đặc tính kỹ thuật tương ứng với lĩnh vực sử dụng. Các linh kiện điện tử thụ động gồm: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm. 2.1.1. Điện trở + Điện trở trong mạch được dùng để điều chỉnh thiên áp; hạn chế dòng điện; điều chỉnh độ khuyếch đại; tạo thành mạch hằng số thời gian; làm phụ tải cho mạch; tạo nhiệt, ổn định nhiệt;... và nhiều chức năng khác. + Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện. Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. + Giá trị điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện, nghĩa là giá trị điện trở không thay đổi khi dùng ở mạch một chiều cũng như xoay chiều. + Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau: R = S l. Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu l: là chiều dài dây dẫn S : là tiết diện dây dẫn R : là điện trở đơn vị là Ohm + Khi sử dụng điện trở cần quan tâm đến các thông số sau : - Giá trị điện trở 7 - Sai số của điện trở (tính theo %) hay độ chính xác của điện trở. - Công suất tối đa cho phép (mà điện trở iêu thụ) - Các tham số về đặc điểm cấu tạo, vật liệu chế tạo. + Điện tở được chia làm 2 loại : - Điện trở có giá trị cố định : Hình a - Điện trở có giá trị thay đổi :Hình b a b * Cấu tạo : Điện trở than được chế tạo bằng cách cho bột than trộn với keo được ép thành thỏi, hai đầu đưa ra 2 dây gọi là chân điện trở. Loại này rẻ nhưng độ chính xác thấp. Điện trở than phun : Bột than được phun theo rãnh trên ống sứ. Loiaij này dùng phổ biến hơn vì độ chính xác cao hơn. Điện trở dây quấn: Dây kim loại có điện trở suất cao được quấn trên ống cách điện rồi tráng men phủ toàn bộ hoặc chừa một khoảng để dịch một con chạy trên thân điện trở nhằm điều chỉnh trị số. Cũng có loại điện trở dây quấn không phủ men. Vì điện trở dây quấn có nhiều vòng dây nên gây ra cảm kháng. Để giảm và trừ khử cảm kháng này người ta dùng 2 cách: hoặc quấn dây trên tấm cách điện thật dẹt, hoặc quấn chập đôi để 2 vòng dây cạnh nhau có dòng điện chạy ngược chiều. Điện trở dây quấn chịu được công suất tiêu tán lớn, bền và chính xác nhưng giá thành cao. 8 Biến trở: Là điện trở dây quấn hay than phun hình vòng cung, trên đó có một con chạy có thể thay đổi vị trí khi xoay trục. Biến trở thường có 3 đầu ra, đầu giữa thường ứng với con chạy. Con chạy chia điện trở vòng cung thành 2 phần: 1 và 2. Tùy theo vị trí con chạy mà các điện tở phần 1 và phần 2 tăng hoặc giảm và ta có thể sử dụng tùy theo cách nối đầu ra. Biến trở làm nhiệm vụ phân áp gọi là chiết áp. * Ký hiệu * Cách đọc điện trở - Đọc trực tiếp: Một số điện trở thường là điện trở có công suất lớn, được nhà sản xuất ghi giá trị điện trở và công suất tiêu tán cho phép trực tiếp lên thân điện trở . VD: x 5 y 1k  2M Các giá trị 5 ; 1K , 2M, - Đọc theo mã thập phân: Vì thân điện trở nhỏ nên khó ghi được nhiều số và đơn vị. Vì vậy người ta thống nhất đơn vị là . Để tránh ghi nhiều số người ta quy định chỉ ghi 1 số có 3 chữ số. Trong đó 2 số đầu là 2 số của trị số điện trở. Số thứ 3 là số các số 0 thêm vào tiếp theo bên phải của 2 số trước. VD: 102 = 1000  - Đọc theo mã vạch màu: Tuân thủ theo bảng quy ước mã màu quốc tế như sau: Màu Vòng 1 Sai số Đen 0 Nâu 1 1% Đỏ 2 2% Cam 3 Vàng 4 Xanh lá 5 0,5% Xanh dương 6 0,25% Tím 7 0,1% 9 Xám 8 Trắng 9 Vàng nhũ -1 5% Bạc -2 10% Không màu 20% Điện trở loại 4 vòng màu: Đây là điện trở thường gặp nhất - Vòng 1: Chỉ số thứ nhất - Vòng 2: Chỉ số thứ 2 - Vòng 3: Chỉ các số 0 thêm vào - Vòng 4: Sai số tính theo % VD: Vàng – tím – cam - nhũ bạc R = 47000 ± 10% Điện trở loại 5 vòng màu: Là điện trở có độ chính cao - Vòng 1: Chỉ số thứ nhất - Vòng 2: Chỉ số thứ 2 - Vòng 3: Chỉ số thứ 3 - Vòng 4: Chỉ các số 0 thêm vào VD: Nâu – tím - đỏ - đỏ - nâu R = 17200 ± 1% 2.1.2. Tụ điện 2.12.1. Cấu tạo: Hai vật dẫn thường là hai tấm kim loại đặt gần nhau và cách điện nhau tạo thành một tụ điện. Các tấm kim loại gọi là bản cực của tụ điện. Tùy theo chất cách điện giữa hai bản cực mà tụ được chia thành nhiều loại: Tụ không khí, tụ giấy, tụ mi ca, tụ dầu, tụ gốm, tụ sứ, tụ hóa,... 2.12.2. Đặc điểm, hình dạng : 10 Đặc điểm Điện dung của tụ điện tăng theo điện tích đối diện giữa hai bản cực, nên để tăng điện dung phải tăng diện tích bản cực. Khi đó, kích thước sẽ tăng. Để kích thước gọn lại, người ta làm hai bản cực là hai lá kim loại đặt xen kẽ giữa hai bản giấy cách điện rồi cuộn tròn lại như hình vẽ. + Khi sử dụng tụ cần quan tâm đến các thông số sau: - Giá trị điện dung - Sai số của điện dung (%) - Điện áp làm việc - Các tham số khác cũng như loại tụ Hình dạng Tụ mi ca Tụ giấy Tụ gốm Tụ dầu 11 Tụ sứ Tụ hóa 2.1.2.3. Ký hiệu, phân loại và cách đọc tụ. Ký hiệu Phân loại - Theo cực tính: tụ có cực tính và tụ không cực tính. - Theo giá trị điện dung: tụ có giá trị cố định và tụ có giá trị điện dung thay đổi. Cách đọc tụ - Đọc trực tiếp - Đọc thông qua mã vạch màu. Lưu ý: Các tụ thông thường là loại không phân cực. Tụ hóa là tụ có cực tính và khi làm việc phải nối đúng cực tính, nếu nối ngược tụ sẽ hỏng. 2.1.2.4. Quá trình nạp và phóng điện của tụ. a b Đóng khóa K về vị trí 1, tụ C được nạp điện từ nguồn điện áp U qua điện trở R. Lúc đầu Uc = 0 nên dòng điện nạp ic là lớn nhất: 12 i c = iR = R U Trong quá trình nạp thì uc tăng dần và dòng nạp giảm dần vì: Ic = iR = R uU R u CR  Đường biểu diễn iC và uC theo hình mũ như hình b và phụ thuộc vào thông số R, C. Thời gian nạp đầy của tụ tăng khi R tăng và C tăng . Tích RC gọi là hằng số thời gian của mạch. CR.     Fs . Khi đóng khóa K về vị trí 2, tụ C sữ phóng điện qua R từ +C qua –C. Dòn phóng có chiều với chiều nạp. Lúc đầu, dòng phóng có giá tị lớn nhất: iC = R U Trong quá trình nạp điện, điện áp uC giảm dần và dòng phóng cũng giảm như hình c. 2.1.3. Cuộn cảm. Cuộn cảm là cuộn dây dẫn điện có lõi bằng chất sắt từ hay không có lõi Khi không có dòn điện chạy qua, cuôn cảm trở thành một nam châm điện. Từ trường của cuộn cảm mạnh hay yếu tùy theo số vòng dây cuộn cảm nhiều hay ít, dòng điện chạy qua cuộn cảm lớn hay bé và cuộn cảm có lõi sắt từ hay không. Dòng một chiều không đổi chạy qua cuộn cảm sẽ sinh ra một từ trường không đổi. Dòng một chiều biến thên hoặc dòng xoay chiều qua cuôn cảm sẽ sinh ra một từ trường biến thiên. Từ trường này gây ra sức điện động cảm ứng trong cuộn dây. Dòng tự cảm có xu hướng chống lại sự biến thiên cảu dòng điện chính đã sinh ra nó. Khi dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, dòng tự cảm ngược chiều làm dòng điện cuộn cảm tăng chậm. Khi dòng điện trong cuộn cảm giảm xuống, dòng tự cảm cùng chiều làm dòng điện cuôn cảm giảm chậm. Do có sức điện động tự cảm khi dòng xoay chiều dòng một chiều biến thiên chạy qua cuộn cảm nên đối với dòng xoay chiều hay dòng một chiều biến 13 thiên, cuộn cảm ngoài trở do điện trở R của dây quấn tạo ra, còn có trở kháng do tự cảm gây ra gọi là cảm kháng. XL = 2 fL Trong đó: f – tần số lưới điện, Hz L – độ tự cảm cuộn dây, H XL – cảm kháng của cuộn dây,  Tổng trở toàn bộ của cuộn cảm sẽ là: Z = 22 LXR  Với dòng một chiều không đổi thì XL =0 và Z = R. Như vậy, đối với dòng một chiều và dòng biến đổi tần số thấp thì cuộn cảm có tống trở nhỏ, còn đối với dòng biến đổi tần số cao thì cuộn cảm có tổng trở lớn. 2.2. Các linh kiện điện tử tích cực 2.2.1. Đi ốt - Là linh kiện bán dẫn gồm 2 lớp bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với chất bán dẫn P gọi là A nốt (A), đầu nới với chất bán dẫn N gọi là Ka tốt (K) )a )b - Nguyên lý làm việc của đi ôt: Khi đi ôt được phân cực thuận nghĩa là cực dương của nguồn nối với a nôt, cực âm của nguồn nối với ka tốt khi đó đi ốt dẫn dòng qua tải. Trị số dòng điện phụ thuộc vào điện trở của tải và của mạch điện. Khi đi ôt phân cực ngược nghĩa là cực dương của nguồn nối với ka nôt, cực âm của nguồn nối với a tốt khi đó đi ốt không dẫn dòng qua tải. D Rt + - D Rt - + 14 Thực tế trong trường hợp này, vẫn có một dòng điện nhỏ qua đi ốt theo chiều từ K sang A gọi là dòng điện ngược hay là là dòng điện rò. Vậy đi ôt chỉ cho dòng điện chạy qua từ A sang K khi phân cực thuận và không cho dòng điện chạy qua theo chiều ngược lại. Đặc tính Vôn – Am pe của đi ốt Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình vẽ. max.ngU 0.DU 0.DU Di 0.DU Di Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0. Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt. Dßng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iôt UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có 15 tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói điôt đã bị đánh thủng. Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dïng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình b. Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức: DDDD IrUu .0.  Trong đó: D D I U r    là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng. Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dòng điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng . 2.2.2. Transisitor - Transistor là 1 linh kiện điện tử được ghép lại từ 3 lớp bán dẫn, sao cho 2 lớp liền nhau khác loại, tạo thành 2 tiếp giáp P – N. Tuỳ theo cách sắp xếp các vùng bán dẫn mà ta có 2 loại là loại PNP và NPN. - Miền thứ nhất của Transistor được gọi là miền Emittor, miền này được pha với nồng độ tạp chất lớn nhất. Cực nối với miền này được gọi là cực Emittor (ký hiệu: E) - Miền thứ hai của Transistor được gọi là miền Base, miền này được pha với nồng độ tạp chất nhỏ nhất. Cực nối với miền này được gọi là cực Base, (ký hiệu: B) - Miền thứ nhất của Transistor được gọi là miền Colector, miền này được pha với nồng độ tạp chất trung bình. Cực nối với miền này được gọi là cực Colector (ký hiệu: C) - Loại Transistor PNP được gọi là Transistor thuận, gồm 1 miếng bán dẫn N ở giữa và 2 miếng bán dẫn P ở 2 bên. Ký hiệu với mũi tên ở cực E có chiều đi vào chỉ chiều đi của dòng điện trong chất bán dẫn. (hình a) - Loại Transistor NPN được gọi là Transistor ngược, gồm 1 miếng bán dẫn P ở giữa và 2 miếng bán dẫn N ở 2 bên. Ký hiệu với mũi tên ở cực E có chiều đi ra chỉ chiều đi của dòng điện trong chất bán dẫn. (hình b) 16 Để hiểu được nguyên lý làm việc ta xét với transisitor ngược NPN. Nguồn E1 phân cực thuận cho cho tiếp giáp J1, nguồn E2 phân cực ngược cho tiếp giáp J2 và phân cực thuận cho tiếp giáp J1. J1 phân cực thuận nên có dòng IB chạy từ B sang E. J2 phân cực ngược bởi E2 nhưng E2>> E1 nên điện trường do E2 tạo ra khá mạnh. Mà cực gốc mỏng nên một số điện tử tự do từ E sang B, còn lại phần lớn vượt qua cực gốc qua tiếp giáp J2 tới cực C về dương nguồn E2. Vì vậy dòng Ic qua phụ tải Rt tạo ra. Dòng E1 qua B, E gọi là dòng điều khiển, dòng E2 qua tải gọi là dòng tải, nên ta có IE = IC +IB. Khi UBE tăng thì IB tăng, IC tăng và ngược lại. Một lượn thay đổi nhỏ của IB cũng lam thay đổi một lượng lớn IC nên transisor có tác dụng khuếch đại. Nếu đảo cực tính UBE thì transistor không thể làm việc được và dòng IC=0 2.2.3. Thyristor Là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn ghép liên tiếp lại với nhau. Có 3 cực (3 chân). hình vẽ. 17 a b A nốt gắn với P1 K tốt gắn với N2 Cực điều khiển gắn với P2 Tùy theo cực tính của nguồn điện nối với anot hay katot mà thyristor phân cực thuận hay phân cực ngược. Khi phân cực ngược không có dòng từ K sang A. Khi phân cực thuận cũng không có dòng từ A sang K. Muốn có dòng từ A sang K ta phải kích xung dòng điện vào chân điều khiển G. Lưu ý: Khi thyristor dẫn dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì thyristor vẫn dẫn. 2.2.4. Trac Là linh kiện bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn (3 chân). Anot 1, anot 2 và cực điều khiển G. Khả năng dẫn dòng cả 2 chiều cho phép sử dụng triac trong mạch xoay chiều như một khóa điện tử hoặc bộ biến đổi trị số dòng điện xoay chiều. * Mở Triac Khi UA2A1 dương với IG dương hay âm Khi UA2A1 âm với IG dương hay âm ` Như vậy có 4 khả năng triac dẫn. 18 Câu hỏi ôn tập, bài tập Câu hỏi Khoanh tròn vào chữ cái có câu trả lời đúng. Câu 1: Một điện trở có các vòng màu theo thứ tự cam, vàng, xanh lá, vàng nhũ. Trị số của điện trở là A. 34x106 Ω ±5% B. 34x105 Ω ±5% C. 23x105 Ω ±5% D. 23x106 Ω ±5% Câu 2: Một điện trở có các vòng màu theo thứ tự nâu, xám, vàng, xanh lá, vàng nhũ. Trị số của điện trở là A. 18x102 KΩ ±5% B. 18x103 KΩ ±5% C. 23x102 KΩ ±5% D. 23x103 KΩ ±5% Câu 3: Loại tụ nào chỉ dùng cho điện một chiều và phải mắc đúng cực tính. A. Tụ giấy B. Tụ xoay C. Tụ hoá D. Tụ gốm Câu 4: Công dụng của diode bán dẫn là. A. Biến đổi dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều B. Biến đổi dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều C. Dùng để điều khiển các thiết bị điện D. Khuếch đại tín hiệu Câu 5: Transistor là linh kiện bán dẫn có A. Ba tiếp giáp P-N, có 3 chân A, K, G B. Hai tiếp giáp P-N, có 3 chân B, C, E C. Một tiếp giáp P-N, có 2 chân A, K D. Ba tiếp giáp P-N, có 2 chân B, C, E Câu 6: Thyristor phân cực thuận khi A. UAK>0, có xung kích vào chân G B. UAK<0, có xung kích vào chân G C. UAK>0, không có xung kích vào chân G D. cả A, B, C đều sai Câu 7: Triac là linh kiện bán dẫn có A. Năm lớp bán dẫn, có 3 chân B, C, E B. Năm lớp bán dẫn, có 3 chân A, K, G C. Năm lớp bán dẫn, có 2 chân A, K D. Năm lớp bán dẫn, có 3 chân A1, A2, G Câu 8: Sơ đồ chân IC thường có A. Loại có 1 hàng chân B. Loại có 1 hàng chân C. Loại có 4 hàng chân D. cả A, B, C đều đúng Đáp án: 1B, 2A, 3C, 4A, 5B, 6A, 7D, 8D 19 CHƯƠNG 2: MẠCH CHỈNH LƯU Mục tiêu: - Mô tả được cấu tạo và trình bày được nguyên lý làm việc của chỉnh lưu; - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch chỉnh lưu 1 pha, 3 pha theo đúng yêu cầu kỹ thuật của mạch điện. - Rèn luyện tính chủ động, nghiêm túc trong học tập Nội dung chính: Cấu trúc chung của một bộ chỉnh lưu thường như sau: Máy biến áp (MBA): Dùng phói hợp điện áp lưới điện và điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu. Chỉnh lưu (CL): Là sơ đồ chỉnh lưu được thực hiện việc biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Khâu lọc (F): Có chức năng san bằng điện áp một chiều sau chỉnh lưu đến mức độ nào đó. Khâu lọc thường sử dụng cuộn cảm, tụ điện. Mạch đo lường: Đo lường các tín hiệu đầu ra một chiều (dòng điện, điện áp) để thực hiện chức năng bảo vệ hoặc thực hiện chức năng phản hồi về mạch điều khiển (khi bộ chỉnh lưu là bộ có điều khiển) Mạch điều khiển: Dùng để điều khiển các thyristor trong mạch chỉnh lưu có điều khiển. Mạch điều khiển cũng thực hiện chức năng tín hiệu hóa và bảo vệ toàn bộ bộ chỉnh lưu. 1. Mạch chỉnh lưu không điều khiển Mạch chỉnh lưu dựa vào tính chất dẫn điện một chiều của diode. Thông số quan trọng nhất của diode chỉnh lưu là dòng điện định mức (dòng điện thuận 20 trung bình) và điện áp ngược cực đại. Hầu hết các diode chỉnh lưu được làm từ Silic, Gecmani hay Selen; kích cỡ diode thường tỷ lệ với dòng điện và điện áp định mức. Trong thực tế, có thể ghép song song các diode để tăng dòng hoặc ghép nối tiếp các diode để tăng điện áp ngược cực đại, khi đó cần có các biện pháp bảo đảm phân dòng (dùng điện trở) hay phân áp (dùng điện trở và tụ điện) để tránh làm hỏng cục bộ từng diode. Hình a: Tải được cấp điện 1 chiều qua đi ôt Hình b: Chỉnh lưu 1 pha Hình c: Chỉnh lưu 3 pha Khi được phân cực thuận, đi ốt thông, dẫn dòng ngay và trị số dòng điện phụ thuộc vào điện áp nguồn và tổng trở phụ tải, Do vậy, đi ốt là một van không điều khiển và chỉnh lưu dùng đi ốt gọi là chỉnh lưu không điều khiển. Các bộ chỉnh lưu không điều khển dùng đi ốt được ký hiệu như hình b, hình c. 1.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ Quá trình làm việc của sơ đồ chỉnh lưu phụ thuộc vào tính chất của phụ tải nên phải xét riêng cho từng loại phụ tải * Sơ đồ mạch điện * Nguyên lý hoạt động: Điện áp xoay chiều được thể hiện bằng một đồ thị hình sin theo thời gian T. Ta chọn một chu kỳ nào đấy để xét quá trình chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều. D 0 uV T ur T Rt UMax UMin UMax 0 A B M N D R 21 Xét nửa chu kỳ đầu, dương ở A, âm ở B. Lúc này diode D được phân cực thuận và dẫn dòng. Dòng điện đi từ A qua D tới M, qua Rt tới N và về B âm nguồn. Xét nửa chu kỳ sau, dương ở B, âm ở A. Diode D phân cực ngược nên không dẫn dòng vì thế không có dòng điện đi qua Rt. Vậy sau cả 2 nửa chu kỳ trên Rt chỉ có dòng điện chảy qua theo một chiều và đó là dòng điện một chiều được nắn ra từ điện áp xoay chiều. Lưu ý: Điện áp ra không bằng phẳng, gợn sóng lớn, hiệu suất thấp < 45%, không tận dụng hết công suất của biến áp nguồn. Thông thường chỉ thích hợp cho tải không cần dùng dòng điện bằng phẳng như nạp ắc quy, nuôi bóng đèn sợi đốt, hoặc dùng cho mạch chỉ cần dòng điện nhỏ. Điện áp DC cực đại chỉ đạt 0,7 lần điện áp hiệu dụng AC. 1.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ * Sơ đồ * Nguyên lý hoạt động: Xét nửa chu kỳ đầu của hiệu điện thế hình sin, ở cuộn sơ cấp dương ở A âm ở B. bên cuộn thứ cấp ta coi điện áp tai điểm P là 0V thì điện áp tại M dương, điện áp tại Q âm. Lúc này Diode D1 được phân cực thuận, Diode D2 phân cực ngược nên D1 dẫn, D2 khoá. Dòng điện đi từ M qua D1 đến N, qua Rt đến P mass. Xét nửa chu kỳ sau của dòng điện hình sin, dương ở B âm ở A. Điện áp tại Q dương, điện áp tại M âm. Lúc này Diode D2 được phân cực thuận, Diode D1 phân cực ngược nên D2 dẫn, D1 khoá. Dòng điện đi từ Q qua D2 đến N, qua Rt đến P mass. Như vậy ở cả hai nửa chu kỳ của dòng điện, trên Rt đều có dòng điện đi qua theo cùng một chiều như vậy dòng điện chay qua Rt chính là dòng điện một chiều được nắn ra từ dòng điện xoay chiều trước mạch nắn 1.3. Chỉnh lưu ba pha hình tia D1 D2 0 uV T ur T Rt UMax UMin UMax 0 A B M N P Q 22 Trong mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, các đi ốt trong sơ đồ lần lượt thay phiên nhau dẫn dòng từ nguồn tới phụ tại. Đó là sự chuyển mạch. Quá trình làm việc của sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha nói chung và chỉnh lứu ba pha nói riêng cũng có đặc điểm cơ bản là chuyển mạch từ sự dẫn của đi ốt pha này sang sự dẫn của đi ốt pha kia. Xét quá trình chuyển mạch của 2 sơ đồ chỉnh lưu 3 pha nửa chu kỳ và chỉnh lưu 3 pha cả chu kỳ. Chỉnh lưu 3 pha nửa chu kỳ được biểu diễn với điện áp nguồn 3 pha lệch nhau 1200 độ điện trên hình sau: * Sơ đồ: Hình 4: Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia * Nguyên lý hoạt động: Đây là trường hợp điện cảm của máy biến áp (MBA) nguồn không đáng kể (L 0 ) và xét trường hợp tải thuần trở R. Xét trong khoảng 1 ÷ 2 pha a có thế dương nhất nên Da dẫn. Khi đó có dòng từ ua  Da  Rt  N. Xét trong khoảng 2 ÷ 3 pha b có thế dương nhất nên Db dẫn. Khi đó có dòng từ ub  Db  Rt  N. Tương tự trong khoảng 3 ÷ 4 pha c có thế dương nhất nên Dc . Khi đó có dòng từ uc  Dc  Rt  N. Vậy trong một chu kỳ của nguồn 3 pha có 3 lần chuyển mạch. Khi chuyển mạch dòng điện qua tải giảm về không ngay ở điode này và tăng lên ngay ở điode kia. Khi đó tín hiệu đầu ra có dạng như hình phía dưới. Khi chuyển mạch tự nhiên, dòng điện qua tải R giảm về 0 ngay ở đi ốt này và tăng lên ở đi ốt kia nên chuyển mạch tự nhiên còn gọi là chuyển mạch tự nhiên tức thời. Da Db Dc RT C N 23 Nguyên tắc chuyển mạch tự nhiên: Tại một thời điểm nào đó, đi ốt nào có thế anot cao hơn sẽ dẫn, còn các điôt khác khóa. Khi thế anot của 2 đi ốt như nhau thì đi ốt nào có thế anot đang tăng sẽ dẫn còn đi ốt nào có thế anot đang giảm sẽ khóa. Các thông số cơ bản của mạch - Góc dẫn của mỗi đi ôt trong một chu kỳ là 0120 3 2   - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu là Ud = 1,17U Dạng điện áp chỉnh lưu là các chỏm sin 3 pha với tần số đập mạch là đường nét dậm trên hình vẽ bên - Điện áp ngược đặt lên đi ốt là Ungmax = 2,45U - Giá trị trung bình dòng điện chỉnh lưu qua phụ tải là Id =1,17 R U - Điện áp trung bình qua mỗi đi ôt là ID = R UI d .39,0 3  1.4. Mạch chỉnh lưu 3 pha hai nửa chu kỳ * Sơ đồ nguyên lý a b - 1 máy biến áp 3 pha: - Sơ cấp có thể nối Y hoặc , trên sơ đồ này là nối Y - Thứ cấp nối hình Y - Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ gồm 6 điốt chia làm 2 nhóm: + Nhóm 1 gồm D1, D3, D5 đấu chụm Katốt (K) + Nhóm 2 gồm D2, D4, D6 đấu chụm Anốt (a) - Tải là PT đấu vào 2 đầu chụm A và K 24 * Nguyên lý làm việc: Đồ thị tín hiệu vào từ cuộn thứ cấp máy biến áp tới cầu chỉnh lưu như hình 1. Xét từng khoảng thời gian nhỏ có tín hiệu xoay chiều trên mạch thứ cấp đặt vào chỉnh lưu, ta có - Khoảng thời gian từ 0 - t1 + Tín hiệu vào có pha c dương nhất; pha b âm nhất. Trên cầu chỉnh lưu có các điôt D5 và D4 dẫn, các điốt còn lại đều khoá. + Dòng điện qua tải có chiều là: (+)c Đ5  M  R1  N  Đ4 (-)b - Khoảng thời gian từ: t1- t2 Tín hiệu vào có pha a dương nhất, pha b âm nhất. +Trên cầu chỉnh lưu có các điốt D1 và D4 dẫn; các điốt còn lại đều khoá. +Dòng điện qua tải là: (+)a Đ1  M  R1  N  Đ4  (-) b - Các khoảng thời gian tiếp theo: tương tự. +Tín hiệu 1 chiều qua tải được biểu diễn trên đồ thị hình u,iV ua ub uc - Kết luận : + Tín hiệu vào là xoay chiều nhưng tín hiệu ra là một chiều và chạy từ M N. +Trong mỗi khoảng thời gian đều có 2 điốt thuộc 2 nhóm dẫn nên thời gian chuyển mạch là tức thời. Ur t t 25 Muốn tín hiệu ra bằng phẳng người ta phải sử dụng bộ lọc( xem chương III) c. Ưu điểm và ứng dụng: -Tín hiệu ra bằng phẳng hơn so với chỉnh lưu 1 pha do vậy bộ lọc đơn giản hơn. - Điện áp ngược trên mỗi D nhỏ. - Công s