Đồ án Thiết kế bộ nguồn một chiều cho tải mạ

ủa máy biến áp ở 750C: Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp: Điện trở máy biến áp quy đổi về sơ cấp : Sụt áp trên điện trở máy biến áp: Điện áp rơi trên điện kháng: ΔUX = mf.Xba.Id/ Trong đó: mf: số pha máy biến áp Xba: điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp : Xn = () W2: số vòng dây thứ cấp máy biến áp Rbk: bán kính trong cuộn dây thứ cấp(m) Rbk được tính theo: Chu vi trong = 2(atb2 - Bd2 + btb2 - Bd2) = 2(7,3 –1,32 +8,12 – 1,32) = 2..Rbk Từ đó suy ra Rbk = h: chiều cao cửa sổ mạch từ(m) cd: bề dày các lớp cách điện giữa các cuộn dây với nhau(m) Bd1, Bd2: bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (m) Điện kháng máy biến áp quy đổi về sơ cấp : Điện cảm máy biến áp quuy đổi về thứ cấp: Sụt áp trên điện kháng của máy biến áp: Sụt áp trên máy biến áp: Điện áp trên tải mạ điện khi có góc mở amin= 100 U=Udo.cosamin -DUVD- DUVT- DUba- DUdn Thay số ta được: U = 32,42.cos100- 2.1,5- 3,75- 0,47 = 24,7 (V) Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: tổn hao không tải : P0= 1,2.G.()1,3 .p.B2 Trong đó p là suất tổn hao ứng với B=0,7 tra bảng (Thiết kế máy biến áp) với thép ký hiệu 3404 dày 0,3mm ta có p=0,24 (W/kg). P0= 1,2.5,3.()1,3 .0,24.0,72 =40(W) Điện áp ngắn mạch tác dụng: Điện áp ngắn mạch phản kháng: Điện áp ngắn mạch %: II.3.Tính chọn tranzitor và điốt cho khâu nghịch lưu. Tr2 Ut Zt D3 D1 D2 D4 it a b iS Cd Ed Tr3 Tr4 Tr1 Hình 3-3.Sơ đồ nghịch lưu cầu t2 t1 T2 T4 iS Hình 3-4.Dạng đường cong dòng điện và điện áp. T1, T3 Hoạt động của sơ đồ : Giả thiết Tr2và Tr4 đang mở cho dòng chảy qua (từ a đến b). Khi t=0 cắt xung điều khiển mở Tr2và Tr4 bằng cách cắt xung điều khiển cấp vào cực bazơ của Tr2và Tr4,,và sau đó cấp xung mở điều khiển vào cực bazơ của Tr1và Tr3 , Tr1và Tr3 dẫn, thì khi đó dòng tải i=-Im không đảo chiều một cách đột ngột nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch : D1- E - D3- tải – D1. và suy giảm dần. D1và D3 dẫn dòng khiến Tr1và Tr3 vừa kịp mở bị khoá lại.Điện áp tải là U=E. Khi t=t1, i=0 ,D1 và D3 bị khoá lại. Tr1và Tr3 mở lại nếu còn xung điều khiển và dòng tải tăng trưởng chạy theo chiều từ a đến b. Đến nửa chu kỳ tiếp theo Khi cắt xung điều khiển mở Tr1và Tr3 thì Tr1và Tr3 khoá và sau đó cấp xung mở điều khiển vào cực bazơ của Tr2và Tr4 , Tr2và Tr4 dẫn, thì khi đó dòng tải i=Im không đảo chiều một cách đột ngột nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch : D2- E – D4- tải – D2. Ta có dạng sóng điện áp và dòng điện như trên hình vẽ. 1- Biểu thức của dòng tải : Khi cho xung mở Tr1và Tr3 ta có phương trình : Dưới dạng toán tử laplace ta có : pI(p) – i(0) + aI(p)=aE/Rp trong đó sơ kiện i(0)=-Im ,a=R/L. Tương tự khi cho xung mở Tr2và Tr4 ta có phương trình : 2- Dòng nguồn is : Ta quy ước :iS >0 khi nguồn cung cấp năng lượng cho tải tức khi Tranzitor dẫn dòng, iS < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn tức khi Diốt dẫn dòng. 3- Tính dòng qua điốt và tranzitor : ở đây Zt tổng trở tương đương đã được qui đổi : Với Zt=Rt+XL trong đó : Rt=Rba+Rt’ Rba : điện trở máy biến áp qui đổi về sơ cấp. Rt’: điện trở của tải được qui đổi về thứ cấp của máy biến áp(với tải mạ điện thì ta coi tính chất của tải là tải điện trở) XL=Xba : Trở kháng của máy biến áp quy đổi về sơ cấp. I1 Xba Rba Rt’ U1 I1 U1 Zt Sơ đồ tươmg đương : Ta có : Zt= ,Zt= Với Xba=1,152(W) Rba=0,042(W) do Rba nhỏ nên ta có thể coi Rt’ằRt. ị Rt’= Từ đường cong dòng điện : khi t=t1 thì i=0. ị 0=(1) với Im= a= E: là điện áp một chiều do khâu chỉnh lưu cấp. qua khâu nghịch lưu thì ta có điện áp xoay chiều U1 với biểu thức tính theo sơ đồ nghịch lưu cầu (ở đây ta tính cho thành phần sóng cơ bản) : u1= giá trị hiệu dụng U1=ị E= từ (1) ị ịt1=0,02(ms) là thời gian mỗi điốt cho dòng chảy qua trong một chu kỳ. - Trị trung bình của dòng qua điốt : ID=-0,67+1,1=0,43(A) - Trị trung bình của dòng qua tranzitor : ITr=14,5-1=13,5(A) Vậy ta có dòng trung bình qua Tranzitor và qua điốt là : ITr=13,5(A) ID=0,43(A) . Ta có thể tính được dòng nguồn is theo biểu thức : i là dòng điện tải có phương trình : i=Imsin(q-j). Với j góc lệch pha của dòng điện và điện áp : j=arctg(Xba/R)=arctg(1,152/7,3) ằ 90 =p/20 ị i=41,67sin(q-p/20) ị Dựa vào các giá trị dòng điện tính ở trên để chọn tranzitor và điốt. 4- Chọn tranzitor : Với dòng làm việc của tranzitor ITr=13,5(A) - Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt,không quạt đối lưu ,với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn : Iđm=Ki.ITr=5.13,4=67,5 (A) Ki hệ số giữ trữ dòng điện, chọn Ki=5. - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu với sơ đồ cầu: Unmax = Knv.U1ba = Knv. Trong đó: Knv = ; Ku = Ud : Điện áp trên tải. Un = Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = KdtU.Unmax Trong đó: KdtU là hệ số dự trữ điện áp, chọn KdtU = 2,5 Từ đó ta có: Unv = KdtU.Unmax = 2,5.345,4 = 863,5 (V) Ta chọn 4 tranzitor loại 2SD1165 với các thông số định mức: - Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch là : UCBO = 1000(V) - Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto : UEBO = 6 (V) - Dòng diện lớn nhất ở Collecto có thể chụi đựng được : ICmax = 100 (mA) - Công suất tiêu tán ở Colecto : PC = 1250 (W) - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1= 125 0C - Hệ số kuyếch đại : b = 150 - Dòng làm việc của Colecto :Ic =ITr= 13,5 (A) - Dòng làm việc của Bazơ : 5- Chọn điốt : với dòng làm việc ID=0,43 (A) - Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt,không quạt đối lưu. Iđm=Ki.ID=4.0,43=1,72 (A) Ki hệ số giữ trữ dòng điện, chọn Ki=4. - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu với sơ đồ cầu: Un = Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = KdtU.Unmax Trong đó: KdtU là hệ số dự trữ điện áp, chọn KdtU = 1,8 Từ đó ta có: Unv = KdtU.Unmax = 1,8.345,4 = 621,72 (V) - Chọn Bốn Diod loại 1N2456R có các thông số sau: -Dòng điện chỉnh lưu cực đại : Imax = 20(A) -Điện áp ngược của Diod : Un = 700 (V) -Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 450(A) -Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diod : ΔU = 1,1(V) -Dòng điện thử cực đại : Ith = 20(A) -Dòng điện dò ở 250C : Ir = 5(mA) -Nhiệt độ cho phép : Tcp = 150(0C) II.3.Chọn tụ lọc sau khâu chỉnh lưu có điều khiển: Với sơ đồ chỉnh lưu cầu : Ta có : C= (sách điện tử công suất lớn ứng dụng) w=2pf=314(rad/s) rd : điện trở tương đương. ta có thể lấy rd= km= với Um : điện áp lớn nhất mà tụ có thể nạp được. ở đây Um=310 (V) => km= =>C= II.4.Chọn tiristor và điốt cho mạch chỉnh lưu có điều khiển Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng điện tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc . Các thông số cơ bản của van động lực được tính: 1- Điện áp ngược của van được tính: Unv = knv.UL Trong đó: Ul: điện áp nguồn xoay chiều. Knv: hệ số điện áp ngược. Với sơ đồ chỉnh lưu cầu không đối xứng tra bảng 1(TLHDTKTBĐ ĐTCS): KNV = Thay vào ta có: (V) 2- Dòng điện của van được chọn theo dòng điện trung bình của sơ đồ, dòng điện trung bình được tính: Ilv = Itb =ktb.I1 (4-3) Trong đó: Itb, I1: dòng điện hiệu dụng của van và dòng sơ cấp máy biến áp. Ktb: hệ số xác định dòng điện trung bình ( tra bảng 2 TLHDTKTBĐ ĐTCS ) Từ bảng tra ta được: Thay vào (4-3) ta được: Ilv = Ihd = 0,5.29,47 =14,8 (A) Với các thông số làm việc ở trên và chọn điều làm việc của là có cánh toả nhiệt với đầy đủ diện tích toả nhiệt và không có quạt đối lưu. Thông số cần chọn có của van động lực là: Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = KdtU.Unmax Trong đó: KdtU là hệ số dự trữ điện áp chọn kdtu= 2. Unv = 2.310 = 620 (V) Dòng điện của van cần chọn: IđmV = ki.Ilv = 4.14,8 = 59,2 (A) Ki hệ số giữ trữ dòng điện, chọn Ki=4. Với sơ đồ chỉnh lưu cầu điều khiển không đối xứng cùng cực tính thì dòng qua điốt bằng dongd qua tiristor , do đó ta chọn điốt cũng có các thông số như sau: Unv = 620(V) IđmV = 59,2 (A) Theo cách đó ở đây chúng ta có thể chọn ( tra bảng 4,5 TLHDTKTBĐ ĐTCS ) +) Diod loại CR60-080 có thông số: - Điện áp ngược trên van: Unv = 800 V - Dòng điện làm việc của van: Ihd =60 A - Độ sụt áp trên van: DU = 1,1 V - Dòng điện rò: Ir = 100m A, Ipik= 900 A - Nhiệt độ cho phép: 2000C +)Tiristor loại CS35-08104 có thông số: - Điện áp ngược trên van: Unv = 800 V - Dòng điện làm việc của van: Iđm = 60 A - Độ sụt áp trên van: DU = 1,6 V - Dòng điện rò: Ir = 6 mA, dòng điện đỉnh xung Ipik = 1200 A - Điện áp điều khiển Ug= 3 V - Dòng điện điều khiển Ig = 150 mA - Nhiệt độ cho phép: 1250C II.5Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. II.5.1.Tính cho mạch chỉnh lưu có điều khiển (I). Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . Tải Mạ CD AP 1CC 1CC R R C C 2CC 2CC 3CC 3CC 2CC R C 2CC M A D1 T1 D2 T2 C R C R Hình 3-5 .Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . 1-Bảo vệ quá dòng điện: Khi ngắn mạch xảy ra, dòng điện ngắn mạch rất lớn có thể chọc thủng van bán dẫn. Ngắn mạch có hai dạng: + Ngắn mạch ngoài là các sự cố xảy ra bên ngoài thiết bị biến đổi như ngắn mạch đầu ra của thiết bị biến đổi, ngắn mạch giữa các pha của nguồn điện xoay chiều hoặc ngắn mạch phụ tải. Để bảo vệ sự cố ngắn mạch ngoài ta sử dụng các aptomat + Ngắn mạch trong chính là van bị ngắn mạch do quá áp hoặc quá nhiệt. Khi van bị ngắn mạch, có thể aptomat có thời gian tác động chậm nên để đảm bảo an toàn cho van thì ta mắc thêm dây chảy tác động nhanh. Mỗi van mắc nối tiếp với một dây chảy. Chọn aptomat: Nguyên tắc chọn các thiết bị này là dòng định mức Idm = ( 1,1 đ 1,3 ) .I1 Ta chọn AP có 1 iếp điểm chính đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Idm = 1,1.I1=1,1.29,47=32,4(A) Uđm=220(V) Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5 .I1 Dòng quá tải: Iqt = 1,5 .I1 Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1 cc I1cc =1,2. I1= 1,2 . 29,47= 35,36A) Nhóm 2 cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc =1,2. Iv = 1,2 . 14,8 = 17,5 (A) Nhóm 3 cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc =1,2. I1= 1,2 . 29,47= 35,36A) vậy chọn cầu chảy nhóm: 1cc loại 40A 2cc loại 20 A 3cc loại 40 A 2-Bảo vệ quá điện áp Giống như hầu hết các thiết bị bán dẫn, thysistor rất nhạy với điện áp cao với sự quá điện áp trong thời gian rất ngắn củng có thể làm hỏng van. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới van cần bảo vệ là: Điện áp đặt vào lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. + Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp chúng ta phải chọn các van theo điện áp ngược đựt lên van. + Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van ta dùng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn. Khi có sự chuyển mạch van suất hiện xung điện áp ở bề mặt lớp tiếp giáp của van do có mạch R-C tạo thành mạch vòng phóng các xung điện áp quá độ đó bảo vệ được van an toàn. R C T Các thông số của mạch R-C có thể tính chính xác tuy nhiên việc tính chính xác mất rất nhiều thời gian và phụ thuộc thông số của van và phụ tải. Thông thường, người ta thường chọn các thông số gần đúng theo kinh nghiệm. Chọn R và C như sau: R = ( 5 á 30 ) W C = (0,5á 4) mF + Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R-C nhằm lọc các xung điện áp cao. Khi suất hiện xung điện áp trên đường dây nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như lằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số của R,C cũng được tính theo kinh nghiệm như sau: R = ( 5 á 20 ) W C = 4 mF Mạch động lực R1 C1 A B C 3- Bảo vệ quá nhiệt cho van . Khi van làm việc, dòng điện chạy qua van sinh ra tổn thất công suất DP làm phát nóng van. Để nhiệt độ của van không vượt quá nhiệt độ cho phép ( Tcp = 1250C ) thì phải gắn vào vỏ van bộ tản nhiệt. Bộ tản nhiệt gồm các tấm tản nhiệt, có thể chứa cả quạt. Tốc độ nhiệt ra ngoài phụ thuộc rất nhiều vào diện tích toả nhiệt . Vì vậy tấm tản nhiệt thường được làm bằng nhôm, chế tạo theo hình gấp khúc . Hiện nay với mỗi loại van Tiristor, tranzitor đều được chế tạo có kèm bộ tản nhiệt theo tiêu chuẩn. Do đó ta chọn bộ tản nhiệt của van đã được chế tạo sẵn . 4-Bảo vệ quá dong điện cho tranzitor. Lấy tín hiệu dòng qua điện trở Sun RS Chỉnh lưu Nghịch lưu Udd VR1 R6 +E R4 R1 R5 R2 R3 R7 IS Xung điều khiển tranzitor Hình 3-6.Mạch bảo vệ quá dòng cho tranzitor Để bảo vệ quá dòng cho tranzitor ta dùng sun ( Rs)để lấy tín hiệu từ nguồn một chiều qua khâu nghịch lưu cấp cho nghịch lưu như trên hình vẽ.Vì tín hiệu phản hồi từ sun nhỏ nên được khuyếch đại qua khuyếch đại thuật toán OA1.Tín hiệu qua khâu khuếch đại được đưa vào khâu so sánhvà được đưa vào cổng AND trong khâu điều khiển tranzitor. Khi dòng điện vượt quá mức cho phép ,điện áp qua sun tăng lên quá mức so với điện áp đặt Udd và bộ so sánh có giá trị âm ở đầu ra khi đó ở đầu ra của cong AND không có tín hiệu, cắt xung diều khiển mở tranzitor. Trên mạch lực ta dùng sun loại 50A-75mV để lấy tín hiệu phản hồi. Ta chọn ngưỡng bảo vệ dòng Ibv = 1,2.29,47 = 35,5 (A) ,khi đó điện áp trên điện trở Shunt đạt Ushunt = 24 mV. Chọn hệ số khuếch đại là k=125 khi đó điện áp đưa vào cổng so sánh U=125.0,024=3(V). vậy ta đặt Udd=3(V). Chọn R1= R3=1(kW); R2= R4=125R1=125.1=125 (kW); chọn R5= R6=3,3(kW); II.5.2Tính cho mạch chỉnh lưu không điều khiển (II) . Tải Mạ M A 1CC 1CC 2CC 2CC 3CC 3CC 2CC 2CC D1 T1 D2 T2 Hình 3-7.Sơ đồ mạch động lực có bảo vệ 1- Bảo vệ quá dòng điện cho van: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Diode, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1 cc I1cc =1,2. I2 = 1,2 . 200 = 240 (A) Nhóm 2 cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc =1,2. Iv = 1,2 . 100 = 120 (A) Nhóm 3 cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc =1,1. Id = 1,2 . 200 = 240 (A) Chương IV Thiết kế mạch điều khiển hệ hở và hệ kín I. Thiết kế mạch điều khiển cho khâu nghịch lưu Từ nguồn điện một chiều được lấy từ khâu chỉnh lưu chúng ta có thể biến đổi thành nguồn điện xoay chiều có tần số mong muốn thông qua khâu nghịch lưu, bằng việc đóng mở các van bán dẫn theo một tần số nào đấy. ở đây ta thiết kế bộ nguồn điều khiển đóng mở các van để tạo ra tần số yêu cầu là f=1000Hz. Tr2 Ut Zt D3 D1 D2 D4 it a b iS Cd Ed Tr3 Tr4 Tr1 Hình4-1.Sơ đồ mạch động lực khâu nghịc lưu u t1 T tcm t2 t t1 Điện áp đầu ra có dạng : Với t1là khoảng dẫn của các tranzitor Tr1và Tr3 trong mọt chu kỳ. t2là khoảng dẫn của các tranzitor Tr2và Tr4 trong mọt chu kỳ. Để đảm bảo cho các van sau khi cắt xung điều khiển trở về trạng thái khoá hoàn toàn rồi sau đó mới phát xung mở các van tiếp theo ta phải có một khoảng thời chuyển mạch. Với tcm>tOFF của van. Ta phải thiết kế mạch điều khiển để cấp xung điều khiển các tranzitor sao cho tạo được điện áp đầu ra có dạng như trên hình vẽ. Để có thể tạo ra các khoảng thời gian trễ khác nhau ta dùng các IC đếm . 1- Sơ đồ mạch điều khiển: Tong mạch điều khiển ta dùng hai loại IC đếm 4017 và 4020. Sơ đồ chân IC. Q11 Q12 Q13 Q5 Q4 Q6 Q3 VSS 16 15 14 13 12 11 10 9 VDD Q10 Q9 Q7 Q8 MR CP Q0 HEF4020B Q6 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8 VDD MR CP0 CP1 CP0 Q9 Q4 Q8 HEF4017 1 2 3 4 5 6 7 8 Nguyên lý hoạt động của các IC : IC 4017: IC 4017 là bộ đếm vòng modul 10, có 10 đầu ra Q0áQ9 .Các chân CP0, CP1 là đầu vào của các xung đếm.Nếu đặt đầu xoá MR=1 thì đầu ra Q0=1.Khi đặt đầu xoá MR=0 và chân CP1=0 thì khi đó có xung đếm ở đầu vào ở chân CP0 thì bộ đếm sẽ đếm và các trạng thái đầu ra sẽ thay đổi trạng thái theo các xung đầu vào. Tương tự khi chân CP0 ở mức cao khi đó có xung đếm ở đầu vào ở chân CP1 thì bộ đếm sẽ đếm. CP0 CP1 MR Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Hình4-2.Sơ đồ các trạng thái đầu ra của bộ đếm IC4017 Đầu ra C10 dùng để chia tần số. Từ xung 0á4 ta có C10=1, từ xung 4á9 ta có C10=0. IC4020 : Tương tự ta cũng có đầu ra của IC sẽ thay đổi trạng thái theo các xung đầu vào.Với UC 4020 có 12 đầu ra. Các đầu ra sẽ lật trạng thái với số xung đầu vào là 2n với n=(1á12) Hình4-3.Sơ đồ các trạng thái đầu ra của bộ đếm IC4020 Q12 Q13 1 2 3 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096 8192 Q4 Q5 Q6 Q7 CP0 MR Q0 Q3 Q8 Q9 Q10 Q11 Bảo vệ quá dòng cho tranzitor Hình4-4.Sơ đồ mạch điều khiển cho tranzitor Nguyên lý hoạt động của mạch : Với IC-4017 đầu ra Q0 sẽ ở mức cao khi ta nối các chân MR=CP1=0 (khi này không có tín hiệu xung đầu vào chân CP0). Ta lấy tín hiệu ra từ chân Q0 để cấp xung điều khiển cho hai tranzitor T1 và T3, đông thời ta dùng 1 IC 4020 (IC2) để đếm khoảng thời gian dẫn của các tranzitor T1 và T3 .Khi hết khoảng thời gian dẫn đó thì đầu một ra của IC-4020 có tín hiệu và tín hiệu này được đưa vào chân cấp xung đếm đầu vào CP0 của IC-4017, có xung vào IC-4017 thực hiện chức năng đếm hay đầu ra Q1 có tín hiệu (hay ở mức cao) ,khi đó đầu ra Q0 về mức lôgic thấp (không có tín hiệu ra) cắt xung điều khiển cấp cho tranzitor T1 và T3 ,hai tranzitor này trở về trạng thái khoá. Đầu ra Q1 của IC-4017 được nối vào chân MR của 1 IC-4020 (IC3) thông qua 1tranzitor.Bình thường khi không có tín hiệu cấp vào chân bazơ của tranzitor thì tranzitor này khoá và đầu vào của chân MR luôn ở mức cao( bộ đếm không hoạt động vì đầu vào chân MR ở mức cao, bộ đếm chỉ hoạt động khi đầu vào chân MR ở mức thấp) .Khi có tín cấp vào chân bazơ của tranzitor thì tranzitor này dẫn thì đầu vào chân MR được nối với đất có nghĩa tín hiệu đầu vào chân MR ở mức thấp và bộ đếm bắt đầu hoạt động. Và IC này có chức tính khoảng thời gian trễ (hay khoảng thời gian chuyển mạch của tranzitor).Khi hết khoảng thời gian chuyển mạch thì một đầu ra của IC2 sẽ có tín hiệu và tín hiệu này được đưa vào chân CP 0 của IC 4017 có xung vào thì đầu ra Q2 sẽ có tín hiệu (khi đó đầu ra Q1 trở về mức lôgic thấp). Tìn hiệu đầu ra Q2 được dùng để cấp xung điều khiển cho hai tranzitor T2 và T4, đông thời ta dùng 1 IC 4020 (IC4) để đếm khoảng thời gian dẫn của các tranzitor T2 và T4 .Khi hết khoảng thời gian dẫn đó thì đầu một ra của IC-4020 có tín hiệu và tín hiệu này được đưa vào chân đầu vào CP0 của IC-4017, có xung vào IC-4017 thực hiện chức năng đếm hay đầu ra Q3 có tín hiệu (hay ở mức cao) ,khi đó đầu ra Q2 về mức lôgic thấp (không có tín hiệu ra) cắt xung điều khiển cấp cho tranzitor T2 và T4 ,hai tranzitor này trở về trạng thái khoá. Đầu ra Q3 của IC-4017 được nối vào chân MR của 1 IC-4020 (IC5) thông qua 1tranzitor, và IC này có chức tính khoảng thời gian trễ (hay khoảng thời gian chuyển mạch của tranzitor).Khi hết khoảng thời gian chuyển mạch thì một đầu ra của IC5 sẽ có tín hiệu và tín hiệu này được đưa vào chân CP 0 của IC 4017 có xung vào thì đầu ra Q4 sẽ có tín hiệu (khi đó đầu ra Q3 trở về mức lôgic thấp). Đầu ra Q4 được nối vào chân MR của IC-4017 khi có tín hiệu reset bộ đếm quay về trạng thái đếm lại đếm lại từ đầu, và các chu kỳ tiếp theo tương tự. Trong mạch điều khiển trên ta dùng thêm cổng AND dùng để bảo vệ quá dòng cho tranzitor (mạch bảo vệ quá dòng cho tranzitor đã được thiết kế ở trên ). Khi quá dòng thì một đầu vào cổng AND có giá trị âm ở đầu ra của cổng AND không có tín hiệu. Do đó không có xung điều khiển mở tranzitor. Để tính toán các khoảng thời gian dẫn của các tranzitor ta căn cứ vào tần số của bộ nghịch lưu. Với yêu cầu tần số đầu ra của bộ nghịch lưu là f=1000Hz. Ta tính các khoảng thời gian dẫn của các tranzitor : u t1 T tcm t2 t t2 Điện áp đầu ra có dạng : Với t1là khoảng dẫn của các tranzitor Tr1và Tr3 trong mọt chu kỳ. t2là khoảng dẫn của các tranzitor Tr2và Tr4 trong mọt chu kỳ. tcm thời gian chuyển mạch. Với tcm>tOFF của van. ở đây ta chọn thời gian chuyển mạch của tranzitor là tcm=100ms. Với tần số f=1000Hz thì ta có chu kỳ T với T= Ta có T= t1+ t2+2 tcm với t1= t2 ị t1= t2=0,4(ms) là khoảng thời gian dẫn của các tranzitor trong một chu kỳ. Theo sơ đồ mạch điều khiển thì ta dùng hai IC là IC2và IC4 để tính khoảng thời gian dẫn của các tranzitor,và hai IC là IC3 và IC5 để tính khoảng thời gian chuyển mạch. ở đây ta dùng mạch timer555 để tạo xung đếm cho các IC 4020. Ta chọn tần số do mạch tạo xung time555 có tần số f=80KHz, hay có chu kỳ T=0,0125(ms). Như đã biết các đầu ra của IC4020 sẽ lật trạng thái ứng với số xung đầu vào. Đầu ra Q0 sẽ lật trạng thái khi có 1 xung vào. Đầu ra Q3 sẽ lật trạng thái khi có 8 xung vào. Đầu ra Q4 sẽ lật trạng thái khi có 16 xung vào. Đầu ra Q5 sẽ lật trạng thái khi có 32 xung vào. Đầu ra Q6 sẽ lật trạng thái khi có 64 xung vào. ..... Với khoảng dẫn của tranzitor t=0,4(ms) hay ứng với xung đầu vào của IC2.Khi có 32 xung đầu vào thì đầu ra Q5 của IC2 có tín hiệuvà tín hiệu này được đưa vào chân CP0 của IC-4017.có xung ở đầu vào của IC-4017 IC này đếm khi đó đầu ra Q1 của IC này ở mức cao và đầu ra Q0 ở mức thấp (hay đầu ra Q0 không có tín hiệu,các tranzitor khoá). Như vậy ta đã điều khiển được khoảng thời gian dẫn của các tranzitor thông qua các IC2,IC4. Tương tự ta có thời gian chuyển mạch tcm=0,1(ms) hay ứng với 8 xung đầu vào của IC3 , hay sau khi có 8 xung đầu vào thi đầu ra Q3 có tín hiệu. Tín hiệu ở các đầu ra (1)và (2) sẽ có dạng : (1) (2) T1,T3 dẫn T1,T3 dẫn T2,T4 dẫn khoảng thời gian chuyển mạch Việc tính toán mạch điều khiển thường đựơc tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở tranzitor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. + Điện áp điều khiển tranzitor UBE = 3V. + Dòng điện cực bazơ của tranzitor Ib = 0,25 A + Độ rộng xung điều khiển tx = 0,4 ms + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = ± 12 V + Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15 1 – Tính máy biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi là hợp kim niken-mangan50NM có từ cảm bão hoà Bs =0,7T, lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: - DB = nên chọn DB = - DH = 50 (A/m) không có khe hở không khí. - Tỉ số biến áp xung m = 2 đ 3 đ chọn m = 3. - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: . - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: . - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: . - Dòng điện sơ cấp biến áp xung: . - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb ẻ (1000H/m đ 6000H/m) mo = 1,25.10-6H/m : độ từ thẩm của không khí. - Thể tích của lõi thép cần có là: = 0,81 (cm3). Chọn thép có ký hiệu 0P20/25-5 có kích thước mạch từ : a = 3,5 mm b = 5 mm d = 20 mm D = 25 mm Q = 0,125 cm2 l = 7,1 cm QCS=3,14(cm2) Hình 3.19: Hình chiếu lõi biến áp xung - Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung. Theo định luật cảm ứng điện từ : đ(vòng). - Số vòng dây quấn thứ cấp: (vòng) - Tiết diện dây quấn thứ cấp: J = 5đ7 A/ mm2 đ chọn J1 = 5A/ mm2. Chọn d1 = 0,1 mm đ Scu1 = 0,00785 mm2 đường kính dây có cách điện dcđ1 = 0,12 mm đ S1 = 0,011 mm2 - Tiết diện dây quấn thứ cấp là: . Chọn d2 = 0,16 mm đ S2 = 0,02 ( mm 2) đường kính dây có cách điện dcđ2 = 0,12 mm đ S2 = 0,025 mm2 Kiểm tra hệ số lấp đầy: Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Chọn Transistor công suất Tr1 loại 2SC 428_Osc_Pa.Mix_SiN làm việc ở chế độ xung có các thông số: - Transistor loại n-p-n, vật liệu bán dẫn là Si. - Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO = 20 ( V ) - Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 5 ( V ) - Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu : ICmax = 100 mA - Công suất tiêu tán ở Colectơ PC = 300 mW - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T2 = 1750 C - Hệ số khuyếch đại : b = 80 - Dòng làm việc của Bazơ : IB1 = (A)=0,375(mA) Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 12 V. Ta phải mắc thêm điện trở nối tiếp với cực Emitơ của Tr2 . R5 = W Chọn R5 = 100 W. Các điod trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số: - Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA - Điện áp ngược lớn nhất Un = 25V - Điện áp để cho điod mở thông : Um = 1V Chọn các điện trở R1, R2, R3, R4 để hạn chế dòng vào các IC. chọn R > Xác định các thông số mạch tạo xung 555: 555 là vi mạch dao động tạo xung chữ nhật ,trong mạch này ta sử dụng nó để tạo xung đưa vào các đầu vào Clock của các vi mạch HFF4020 . Ta có dạng tín hiệu 555 tạo ra co dạng như sau : - Thời gian mở Ton = 0,69 (R9 + R10) ứng với thời gian nạp tụ qua R9,R10. - Thời gian đóng Toff =0,69R10.C1 , ứng với thời gian xả tụ qua R8. Chu kỳ điều khiển Tck = Ton + Toff = 0,69(R9+2R10)C1. Với tần số cần tạo là f=80 kHz =>T=1,25.10-5(s) Chọn nguồn cấp cho mạch tạo xung chùm là nguồn 12V. Tụ điện C2 nối chân 5 với mass thường được chọn bằng 0,01mF (chọn loại tụ gốm 103). Chọn CA =0,1mF (loại tụ gốm 104) do đó ta cần có: R9+2R10 =W. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh chọn R9 là biến trở 100 W , R 10 là điện trở 68 W. II. THIếT Kế MạCH ĐIềU KHIểN cho thyiristor Như ta đã biết, thysistor chỉ mở cho dòng chạy điện qua khi có điện áp dương đặt trên Anod-Catot (UAK>0) và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển. sau khi thysistor đã mở thì xung điều khiển không còn có tác dụng gì nữa khi đó dòng điện chảy qua thysistor do thông số của mạch động lực quyết định. do vậy, cần phải xây dựng một mạch điều khiển để cho phép thysistor hoạt động theo những qui luật nhất định . Chức năng của mạch điều khiển như sau: Điều chỉnh thời điểm cấp xung điều khiển mở thysistor trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anod- Catot của thysistor. Tạo ra các xung đủ điều kiện điều khiển mở thysistor (xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10 V, độ rộng xung Tx = 20 á 100ms đối với các thiết bị thông thường, Tx< 10 ms đối với các thiết bị biến đổi tần số cao) Sơ đồ khối của mạch điều khiển được trình bày ở hình dưới: ĐF SS KĐ,TX Uđf Uđk Hình 4-5. Sơ đồ khối của mạch điều khiển T + Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa (Ut) trùng pha với điện áp UAK hoặc biến thiên theo qui luật phù hợp . Thường điện áp tựa biến thiên theo quy luật tuyến tính hay arccos. + Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển(Uđk). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Ut) thì thông báo gửi sang khâu khuếch đại. + Khâu khuếch đại tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thysistor. Xung mở thysitor cần có yêu cầu sau: Sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thysistor mở tức thời. thường dùng xung nhọn hoặc xung chữ nhật Đủ công suất( đủ điện áp và dòng điện ). cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. Đủ độ rộng xung ( độ rộng xung lớn hơn thời gian mở thysistor). - Nguyên tắc điều khiển Trog thực tế hiện nay, người ta hay dùng hai nguyên tắc điều khiển đó là nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc thẳng đứng arccos để thực hiện việc điều chỉnh góc mở của thysistor cho phù hợp với mục đích yêu cầu. II.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Để thực hiện nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp Điện áp tựa Ur có dạng hình răng của đồng pha với điện áp đặt trên anod, catod của tiristor. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể chỉnh được biên độ. Tổng đại số của Ur + Uđk được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Khi Ur + Uđk = 0 ta nhận được một xung đầu ra của khâu so sánh. Bằng cách biến đổi Uđk , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung, tức là điều chỉnh góc a. Khi Uđk = 0 đ a = 0. Uđk 0. t t U p Xđk p Uđk Urc Utải t Hình 4-6.Dạng điện áp theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Quan hệ giữa a và Uđk : Người ta lấy Uđkmax = Urmax . II.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ''arccos'' Ur Udk (Ur+Udk) Ur Udk a 0 wt Hình 4-7. nguyên tắc điền khiển arccos Nguyên tắc này cũng dùng hai điện áp - Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anốt - katốt tiristor một góc bằng P/2 (Nếu UAK = A sincot thì Ur = B coscot). - Điện áp điều khiển được Udk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng (dương và âm). Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt - katốt tiristor, từ điện áp này người ta tạo ra Ur. Tổng đại số Ur + Udk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Ur + Udk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Udk + Bcosa = 0 Do đó a = arccos ( - Udk/B ) Thường lấy B = Udk max Khi Udk= 0 thì a = p/2 Khi Udk = Udk max thì a = P Khi Udk = - Udk max thì a = 0 Như vậy khi cho Udk biến thiên từ -Udk max đến +Udk max thì a biến thiên từ 0 đến P. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. II.3.Một số sơ đồ điển hình các khâu trong mạch điều khiển . II.3.1 Khâu đồng pha. R1 D F A -E C Ur U1 B R2 U2 Tr Hiện nay, mạch điều chỉnh chỉnh lưu hay điều chỉnh xoay chiều thường được thiết kế theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Dưới đây là một số khâu đồng pha điển hình: Ur R1 D2 D1 F A -E C U1 B R2 Hình4-9. Sơ đồ khối đồng pha dùng tranzitor Hình4-8. Sơ đồ khối đồng pha dùng điốt và tụ U1 Ur R3 Tr B A + - - + C R2 -E D ghép quang Ur C R2 +E D U1 Hình4-10. Sơ đồ khối đồng pha dùng ghép quang Hình4-11. Sơ đồ khối đồng pha dùng KĐTT + Hoạt động của các sơ đồ - Hình 4.8: -Khi điện áp tại A dương dòng qua R1 và D1 khi đó nếu bỏ qua sụt áp trên diod thì VB= V0 nên UBC> 0 làm D2 thông hay là Vc=0.do đó điện áp ra URC=0. -Khi điện áp tại A âm, diod D1 và D2 làm hở mạch ,tụ được nạp qua R2 với hằng số thời gian nạp tụ t=R2.C. Khi B âm hơn C tụ C vẫn được nạp. Tới một lúc nào đó UB tăng và C âm hơn B D2 dẫn tụ xả qua thứ cấp biến áp -R1 - D2 * Nhược điểm của sơ đồ này là điện áp tựa ( điện áp nạp tụ) không phủ hết nửa chu kỳ của điện áp đồng pha,góc mở van bị giới hạn. do vậy sơ đồ này ít được sử dụng - Hình 4.9: - khi điện thế điểm A dương, Transintor khoá tụ được nạp qua một điện trở R2 với hằng số thời gian t=R2C Khi điện thế điểm A âm TR dẫn tụ xả qua TR. Điện áp tựa là điện áp trên tụ phần tụ nạp. Sơ đồ này có điện áp tựa biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ của điện áp đồng pha UAK cho phép điều chỉnh được vị chí xung điều khiển từ 0 đến 1800. - Hình 4-10: Với sự ra đời của linh kiện ghép quang, người ta có thể dùng nó để tạo điện áp tựa. + Khi UA âm D1 dẫn Dq khoá làm cho TRq khoá tụ nạp qua R2 với hằng số thời gian t=R2C + Khi UA dươngD1 khoá Dq dẫn mở thông TRq tụ xả qua TRq xuống điểm mass của mạch. Điện áp tựa là phần tụ nạp. - Hình 4-11: Trong nửa chu kỳ dương của điện áp UA, do UA được đưa vào đầu đảo của OA1 nên VB=-VSAT ( điện áp bão hoà của OA=0,8Ecc ) .Khi UA đổi dấu, VB lật trạng thái VB=VSAT . Khi B âm, diod D1 dẫn, TR1 khoá ta có mạch tích phân đảo. Điện áp đầu ra của của OA2 có dạng tam giác. đối với xung dương B, D1 khoá TR1 mở thông Điện áp tựa sẽ bằng đầu vào đảo U- mà ta có U-=U+ =0 nên Urc =0. * Việc sử dụng khuếch thuật toán có nhiều ưu điểm như: mạch gọn nhẹ với hệ số khuếch đại của khuếch thuật toán rất lớn (A=104 á 105) nên chỉ cần một sai lệch rất nhỏ của hiệu Ud= U+ - U- thì đầu ra đã lật trạng thái điều đó cho phép điều chỉnh chính xác ở vùng điện áp lân cận 0. II.3.2. Khâu so sánh + Sơ đồ dùng transistor Urc Uđk Ura +E Tr B Hình4-12Sơ đồ so sánh dùng tranzitor Với sơ đồ này cho phép so sánh hai điện áp trái dấu. Điện áp tại điểm B là UB= Urc + U đk . Khi giá trị này dương thì transistor mở thông điện áp ra bằng không. Tại thời điểm ỗUrcỗ= Uđk , tiếp giáp BE của Tr bắt đầu phân cực ngược làm cho Tr khoá => Ura=+E. Sự thay đổi trạng thái đầu ra cho ta đánh dấu được thời điểm cần mở thysistor .Với việc sử dụng Tr có nhược điểm là Tr làm việc ở chế độ khuếch đại với điện áp UB cỡ mV chứ không phải chế độ đóng cắt như ta mong muốn . Điều đó làm thời điểm mở thysistor bị lệch khá xa so với thời điểm xcần mở chính xác tại ỗUrcỗ= Uđk. + Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán Urc Uđk Ura OA + - R1 R2 Hình4-13Sơ đồ so sánh một cổng dùng KĐTT Urc Uđk Ura OA + - R1 R2 Hình4-14.Sơ đồ so sánh hai cổng dùng KĐTT Như đã nói ở phần trước, khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại rất lớn, chỉ cần một giá trị rất nhỏ của Ud = U+ -U- là đầu ra đã chuyển trạng thái. Vì vậy, ứng dụng khuếch thuật toán làm khâu so sánh cho kết quả rất tốt. Hình trên vẽ sơ đồ hai khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán Hình 4-13: Sơ đồ này áp dụng cho việc so sánh hai điện áp trái dấu - Điện thế tại cổng đảo : U- = Urc- ( Urc- Uđk). - Nếu R1=R2 thì U = Vì U+=0 nên Ud=U-. - Khi ỗUdkỗ< Urc thì Ura = -Vsat. - Khi ỗUdkỗ> Urc thì Ura= Vsat Uđk Uss Urc t U Hình4-16.Dạng điện áp của sơ đồ so sánh một cổng Hình 4-14: Sơ đồ so sánh hai cổng cho phép so sánh hai điện áp cùng dấu: Tacó: Ud = Uđk-Urc Khi Ud > 0 (Uđk > Urc) thì Ura = Vsat Uđk Uss Urc t U Khi Ud Urc) thì Ura =-Vsat Hình4-17.Dạng điện áp của sơ đồ so sánh hai cổng Với dạng điện áp tựa tạo được từ các khâu đồng pha đã nêu, khi tăng điện áp điều khiển Uđk,góc mở thysistor tăng và điện áp cấp cho tải giảm. Như vậy, điện áp ra và điện áp điều khiển có quan hệ ngược. Điều này không thích hợp cho thói quen điều khiển thuận chiều.Để tạo ra mối quan hệ thuận ta sử dụng khâu cộng đảo dùng khuếch đại thuật toán đệm giữa đồng pha và so sánh.Sơ đồ mạch và điện áp tựa như hình vẽ dưới. R0 R R R/2 -E Uadd Urc2 + - Urc1 Hình4-18.Sơ đồ mạch cộng đảo + biểu thức của điện áp ra Urc2 : Urc2 = - Để có Urc2 mong muốn như hình vẽ điện áp U phải ngược dấu với Urc1 và cs độ lớn bằng biên độ Urc1 . Với việc chọn thích hợp ta có thể nâng cao biên độ của Urc2 . Điều này làm dải thay đổi điện áp điều chỉnh được tăng nên thuận lợi cho quá trình điều khiển. II.3.3 Khâu khuếch đại tạo xung . Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thysistor, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất và biến áp xung. Sơ đồ mô tả ở dưới: R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX D3 Tr1 Tr2 R2 R1 D1 D2 +E Xđk Uv BAX Tr Hình4-19.Sơ đồ khâu khuếch đại tạo xung Hoạt động của sơ đồ: Tín hiệu vào lấy được từ đầu vào của khâu so sánh khi Uv= 1 thì transistor mở thông bão hoà cho dòng ic chạy qua. Trong vùng biến thiên của dòng điện ic ở cuộn sơ cấp biến áp xung thì trong cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ suất hiện một suất điện động cản ứng. Sức điện động cảm ứng đó được lấy ra làm xung điều khiển cho thysistor. Khi Uv = 0 Transistor bị khoá, ic giảm về không . Các điện áp cho ở hình dưới: t t t t Xđk ic ib Uv Hình4-20.Dạng điện áp của sơ đồ KĐTX II.3.4 Mạch tạo xung chùm. Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo thysistor mở một cách chắc chắn. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại ngươif ta đưa thêm một cổng and với tín hiệu vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ tạo xung chùm. & SS XC Tới KĐTX Hình4-21.Sơ đồ phối hợp tạo xung điều khiển R4 R1 R2 R3 C + - - + R2 R1 R3 C OA + - Dưới đây là các sơ đồ tạo xung chùm: 1 2 6 7 8 4 3 5 C1 C2 R2 R1 +E a. c. Hình4-22.Các sơ đồ tạo xung chùm. Đối với những mạch điều khiển công suất lớn thì việc dùng vi mạch 555 cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. Sau khi chọn xong các khâu cơ bản vẽ mạch điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển : UF Ud UB UA U1 UC UK UE UD Hình 4-24. Sơ đồ điện áp của mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển Khi cấp nguồn 220 vào sơ cấp của biến áp nguồn phía thứ cấp của biến áp được hạ áp qua cuộn W2-1 qua cầu chỉnh lưu cầu điện áp tại điểm (A) UA là điện áp một chiều hình sin lấy phần dương và đặt vào cửa đảo của thuật toán A1 tại đây được so sánh với điện áp Udd đặt được đưa vào qua cửa trừ của A1. Nếu U(A) >Udd thì Ura trên OA1 là điện áp âm điốt D1 thông. Trên OA2 dòng điện đi từ nguồn +E nạp cho tụ C1 qua VR2 qua R4 về âm nguồn qua thuật toán OA1. Nếu U(A) <Udd thì Ura trên OA1 là điện áp dương điốt D1 khoá mở, khi đó trazitor Tr1mở thông kết quả OA2 ngắn mạch . Do sự phóng nạp của tụ C1 tạo ra trên ( OA2 ) một điện áp hình răng cưa Urc1. Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua chiết áp VR2. Điện áp răng cưa được đưa vào bộ cộng đảo OA3 . Điện áp răng cưa qua bộ cộng đảo OA3 được so sánh với điện áp điều khiển. Nếu Urc2 > Uđk thì đầu ra của OA4 là xung dương(hay điện áp ra UE là dương). Nếu Urc < Uđk thì đầu ra của A3 là xung âm(hay điện áp ra UE là âm). Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C2 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Hai tín hiệu vào UE và UF qua cổng AND (&). Tại E ta được một chùm xung trong dải điện áp dương UE, nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristor do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung. Các transistor mắc theo kiểu darlington. Xung dương được đặt vào bazơ của Tr2 làm Tr2 mở và Tr3 mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung. Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở các tiristor. II.4 - Tính chọn các linh kiện của mạch điều khiển. Việc tính toán mạch điều khiển thường đựơc tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. + Điện áp điều khiển Tiristor Ug = 3V. + Dòng điện điều khiển Tiristor Ig = 0,15 A + Độ rộng xung điều khiển tx = 200 ms + Tần số xung điều khiển fx = 3 Kkz + Độ mất đối xứng cho phép Da = 40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = ± 12 V + Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15 1 – Tính máy biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi là hợp kim niken-mangan50NM có từ cảm bão hoà Bs =0,7T, lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = nên chọn DB = DH = 50 (A/m) không có khe hở không khí. Tỉ số biến áp xung m = 2 đ 3 đ chọn m = 3. Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: . Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: . Dòng điện thứ cấp biến áp xung: . Dòng điện sơ cấp biến áp xung: . Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb ẻ (1000H/m đ 6000H/m) mo = 1,25.10-6H/m : độ từ thẩm của không khí. Thể tích của lõi thép cần có là: = 0,675 (cm3). Chọn thép có ký hiệu 0P20/25-5 có kích thước mạch từ : a = 3,5 mm b = 5 mm d = 20 mm D = 25 mm Q = 0,125 cm2 l = 7,1 cm QCS=3,14(cm2) Hình 4.25: Hình chiếu lõi biến áp xung Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung. Theo định luật cảm ứng điện từ : đ(vòng). Số vòng dây quấn thứ cấp: (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: J = 5đ7 A/ mm2 đ chọn J1 = 5A/ mm2. Chọn d1 = 0,11 mm đ Scu1 = 0,0095 mm2 đường kính dây có cách điện dcđ1 = 0,13 mm đ S1 = 0,013 mm2 Tiết diện dây quấn thứ cấp là: . Chọn d2 = 0,2 mm đ S2 = 0,0314 ( mm 2) đường kính dây có cách điện dcđ2 = 0,24 mm đ S2 = 0,045 mm2 Kiểm tra hệ số lấp đầy: Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. 2 – Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Chọn transistor công suất Tr2 loại 2SC 517 – PA – SiN. Làm việc ở chế độ xung có các thông số: Transistor loại n-p-n, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emitơ là UCBO = 60 ( V ) Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch colecto là: UEBO = 4 ( V ) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 2 ( A ) Công suất tiêu tán ở Colecto Pc = 10 W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 1750 C Hệ số khuếch đại : b = 60 Dòng làm việc của Colecto : IC3 = I1 = 50 mA Dòng làm việc của Bazơ : IB2 = Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 12 V. Ta phải mắc thêm điện trở nối tiếp với cực Emitơ của Tr2 . R10 = W Chọn R10 = 68 W. Do công suất cần điều khiển cho thysistor nhỏ ( Uđk =3 V, Iđk = 0,15 A) thì việc sử dụng một transistor ở tầng khuếch đại là đủ công suất. Các điod trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số: Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA Điện áp ngược lớn nhất Un = 25V Điện áp để cho điod mở thông : Um = 1V 3- Chọn R11 , cổng AND a - Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 1 cổng AND, ta chọn 1 IC4081 họ CMOS. Mỗi IC4081 có 4 cổng AND có thông số: nguồn nuôi IC: Vcc = 12V Nhiệt độ làm việc : - 400 C đ 800 C Điện áp ứng với mức logic “1” : 2 đ 4,5 V Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P = 2,5 (nW/ cổng ) Hình 4.26 : Sơ đồ chân IC - 4081 b- Chọn R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Transistor Tr3, chọn R9 thoả mãn điều kiện: R9 ³ W Chọn R9 = 5,6 kW 4- Tính chọn bộ tạo xung chùm Mạch điều khiển phải dùng 5 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 2 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo. Mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 +Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 12 V +Hiệu điện thế giữa hai đầu vào ± 30V +Nhiệt độ làm việc: T = - 25 đ 850 C +Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W +Tổng trở đầu vào: Rin = 106 mW +Dòng đầu ra: 30 pA +Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: Hình 4-27: Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo xung chùm có tần số: Theo sơ đồ bộ tạo xung chùm ta có: Chọn R5 = R6 = 33 kW thì T=2,2R13.C2=334 (ms) đR13 .C2 = Chọn C2 = 0,1 mF đ điện áp danh định Ut = 16 V R13 =1518 W Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R13 là chiết áp có R13 = 2,2kW. 5-Tính chọn khâu đồng pha Chọn điện áp thứ cấp biến áp đồng pha U2đf =9 V. Điện trở R1 ,R2 dùng để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán Iv <1mA. Do đó chọn: R1> Chọn theo điện trở chuẩn: R1=R2 =10 kW Điện áp trên điểm (A) là điện áp xoay chiều được qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin. Điện áp 1 chiều nửa hình sin liên tiếp tại (A) được đưa vào cửa cộng của khâu so sánh OA1. Điện áp được đưa vào cửa đảo của OA1 là điện áp 1 chiều phẳng Udd có giá trị: UI min < Uđ <UI max OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của UI với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương, âm liên tiếp dạng xung trên điểm (B). ở đây ta chọnUdd =1 V. Chọn Transistor Tr1 loại 2SC405 có các thông số: Điện áp giữa colector và bazơ khi hở mạch emitor: UBE0=25V Dòng điện colector lớn nhất cho phép : Icmax=200mA Hệ số khuếch đại b = 60 Dòng điện bazơ cực đại IB max = Chọn tụ C1 và điện trở R4 : Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Tụ C1 và điện trở R4 quyết định hình dáng và biên độ điện áp tựa. Do đó, phải chọn C1 và R4 sao cho đảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới. Hằng số thời gian nạp tụ t = C1.R4 , Theo tài liệu 4 chọn t=(0,03á0,05). Lấy giá trị t= 0,03 và chọn trước giá trị C1=0,1(mF) ta có giá trị điện trở : R4= Chọn điện trở R2 để hạn chế dòng điện bazơ của transitor Tr1: R3³ Chọn điện trở theo tiêu chuẩn: R2=3,9kW Xác định biên độ điện áp tựa Urc1max (biên độ điện áp tại C) Viết biểu thức cho mạch tích phân của khâu đồng pha: Urc1= Điện áp uB= 12V; t=0,01s; urc1(0)=0 suy ra ta có: Urc1max= * Tính chọn mạch cộng đảo 0A3: Chọn nguồn cấp cho Uadd là E=-12V. Như phần trước đã phân tích cần đặt Uadd=-Urc1max.Ta chọn VR1 à biến trở 2,2kW Chọn R4 sao cho R4>. Chọn theo điện trở chuẩn R4 = 3,9 kW Diện áp răng cưa Urc2 (điện áp tại D) được lấy làm điện áp tựa liên hệ với Urc1 theo hệ thức: Urc2= Trong đó: k là hệ số chiết áp của biến trở VR2 Ta chọn điện áp tựa có biên độ là Urc2=10V cần chọn biến trở VR2 sao cho : UVR2>R4 Ta chọn Biến trở VR2 là biến trở 10 kW. 6-Tính chọn tầng so sánh . Để thuận lợi cho việc cấp nguồn ta chọn nguồn điện áp điều khiển Unđk = 12 V Điện trở R6và R7 được chọn tương tự như các điện trở hạn chế dòng điện vào KĐTT . Chọn R7 = R8 = 12kW. Ta sử dụng biến trở tinh 2,2kW VR3 để thay đổi Uđk. 7 .Tạo nguồn nuôi C7 C3 C5 C6 C4 C2 C1 W22 D2 D4 D1 D3 7912 7812 W23 D6 D8 D5 D7 +12V +12V -12V Hình 4-28. sơ đồ mạch khối nguồn Nguyên lý làm việc khối nguồn Dòng xoay chiều được chỉnh lưu qua điốt D1 ,D2 ,D3 ,D4 và D5 ,D6 ,D7 ,D8 Chọn các đi ốt loại:D-1001 có các thống số sau: Itb = 800 mA Uim = 100 V Để ổn định điện áp đầu ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912. Các thông số chung của vi mạch này: - Điện áp đầu vào : (7 – 35)V - Điện áp đầu ra : Ur = 12V với IC7812 Ur = -12V với IC7912 - Dòng điện đầu ra : Ir = (0 - 1)A Chọn tụ lọc phẳng C1 = 1000 mF C2 = 500 mF C3= C4 = 100 mF Chọn hai tụ lọc nhiễu C5 = C6= 0,1 mF 8. Tính biến áp nguồn điều khiển. Từ các tính toán cho mạch điều khiển ở trên, mạch diều khiển của ta cần phải có ba nguồn điện áp. Chúng ta thiết kế máy biến áp cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi. Thiết kế máy biến áp có một cuộn sơ cấp và ba cuộn thứ cấp. - Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha và làm điện áp nguồn nuôi: U2 = U2đph = UN = 9V - Dòng điện thứ cấp MBA đồng pha: I2đph = 1(mA) - Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pđph = U2đph. I2đph = 9.1.10-3 = 0,009(W) - Công suất tiêu thụ ở 2 ICTL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán: P3IC = 2.PIC = 2.0,68 = 1,34(W) - Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristor. PX = 2.UđkT.IđkT = 2.3.150.10-3 = 0,9(W) - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Pđph + P2IC + PX = 0,009 + 1,34 + 0,9 = 2,3(W) - Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,23(Pđph + PN) = 1,23(0,009 + 2,3) = 2,8(VA) - Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 =  - Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = - Tiết diện trụ của MBA được tính theo: QT = KQ. Trong đó: KQ: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát. Ta có thể chọn KQ = 6 m: là số pha máy biến áp; m = 1 f: là tần số dòng điện; f = 50Hz Chuẩn hoá tiết diện trụ ta lấy QT = 1,63(cm2) Chọn lá thép có bề dày 0,2mm. Từ giá trị của QT tra bảng “MBA công suất nhỏ” ta có các thông số và kích thước của MBA : 48mm 12mm 16mm 42mm 30mm 12mm Hình4-29.Dạng mạch từ của MBA - Kí hiệu lõi thép từ III12x16 - a = 12mm; b = 16mm; c = 12mm; h = 30mm; H = 42mm; C = 48mm. - Số lượng lá thép = 68 lá - Công suất MBA :7W - Thể tích thép từ : 16,35(cm3) - Trọng lượng thép từ : 130(g) Chọn hệ số ép chặt Ke = 0,85 *) Tính toán kích thước dây quấn: - Chọn mật độ từ cảm B = 1(T) ở trong trụ, ta có số vòng dây sơ cấp; W1 = (vòng) - Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,75(A/mm2) - Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = - Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = Chọn d1 = 0,1mm.Chọn đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện: d1cđ = 0,12mm - Số vòng dây quấn thứ cấp: W2 = W1.(vòng) - Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = (mm2) - Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = Chọn d2 = 0,26(mm). Chọn đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện d2cđ = 0,31mm III. Vấn đề ổn định điện áp. Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng lớp mạ, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định. Để lớp mạ có chất lượng cao về độ mịn, độ gắn bám thì nguồn một chiều cấp cho bể mạ phải có điện áp chất lượng tốt, bằng phẳng và có thể điều chỉnh vô cấp một cách dễ dàng. Vì vậy, yêu cầu của nguồn mạ là ổn định điện áp đầu ra. Ta sử dụng mạch hồi tiếp âm áp để thiết lập hệ tự động vòng kín Trong đồ án này ,để điều chỉnh điện áp cấp cho tải ,ta chỉ điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lưu có điều khiển (I) ,việc điều chỉnh điện áp ra của hệ được thực hiện nhờ việc thay đổi góc mở a của các Thyristor như sau : X đk t Urc U đk U tải a1 a2 Hình4-30.Dạng điện áp thay đổi theo góc mở a Như ta thấy góc điều khiển a sẽ thay đổi nếu ta thay đổi Uđk ,và vì thế nếu thay đổi Uđk thì chúng ta có thể thay đổi a trong khoảng từ amin tới 180 0 . Tín hiệu phản hồi từ tải được lấy như hình vẽ ,ta dùng điện trở phân áp Utải vì vậy Uphản hồi sẽ biến đổi tỷ lệ với tải khi tải thay đổi . - + Tải mạ xoa Uph -Uph +12V A2 R5 R3 R2 Uph Uđặt R1 R4 C A1 Uđk Hình 4-31.Sơ đồ mạch điều khiển Điện áp đặt Uđật lấy từ biến trở có đầu vào được cấp một nguồn điện 12 V. Điện áp phản hồi Uph được lấy từ tải qua khâu khuếch đại đảo đưa tới đầu vào đảo của khâu PI. ở khâu khuếch đại ta chọn R1= R2. Tại đầu ra ta nhận được Uđk = Ta chọn R3= R4. Hằng số thời gian tụ nạp là T = R3.C = R4.C =10ms (1/2 chu kì điện áp lưới ). Với mạch như thế này ,điện áp của tải sẽ được ổn định sau khoảng thời gian 10 ms , vì lúc này Uph = Uđặt thì điện áp trên tải là ổn định . Giá trị Uđặt sẽ được điều chỉnh để lấy phân áp tử một biến trở và điện áp của Uđ max là +12 V . Do dòng điện đi vào IC tối đa là 1 mA nên điện trở R4 min là 12/0,001 = 12(KW) ,ta chọn điện trở R4 = 12 (KW) Tương tự R3 ta chọn bằng R4 là 12 KW . Chọn hệ số khuếch đại của PI Ta chọn hệ số khuếch đại K = =4 . vậy ta có điện trở R5 được chọn bằng 47 (KW). Với T = R3.C =10ms => C =0,83mF chọn C=1mF Ta thấy khi Uđặt =Uph ta có điện áp Uđk giữ một giá trị không đổi. + Nếu Utải tăng ,qua phân áp ta có Uph cũng tăng theo tỷ lệ khi đó mạch PI có tích phân theo hướng xuống làm Uđk giảm dẫn đến góc a tăng làm điện áp chỉnh lưu giảm khiến Utải có xu hướng giảm xuống tới vị trí cân bằng . + Nếu Utải giảm ,qua phân áp ta có Uph cũng giảm theo tỷ lệ khi đó mạch PI có tích phân theo hướng xuống nên làm Uđk tăng dẫn đến góc a giảm làm điện áp chỉnh lưu tăng khiến Utải có xu hướng tăng tới vị trí cân bằng . Kết Luận Trải qua hơn ba tháng làm việc, đề tài tốt nghiệp về thiết kế bộ nguồn một chiều cho tải mạ được em đã hoàn thành với nội dung đề tài bao gồm 4 chương, tương ứng với nội dung thiết kế được giao. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Một lần nữa, em rất mong thầy cô thông cảm và chỉ bảo thêm để có thể hoàn thành đồ án của mình tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo Trần Văn Thịnh. Hướng dẫn thiết kế tính toán thiết bị điều khiển. Nguyễn Bính. Điện tử công suất - Nhà xuất bản KHKT - 1994. Vũ Gia Hanh - Trần Kháng Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu. Máy điện I - Nhà xuất bản khoa học kỹ thật - 2001 Nguyễn Bính. Điện tử công suất lớn và ứng dụng thyristor - Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp - 1985. Nguyễn Tấn Phước. Kỹ thuật xung căn bản và nâng cao - Nhà xuất bản Thành Phố HCM - 1999. Nguyễn Tấn Phước. Giáo trình điện tử kỹ thuật linh kiện điện tử - Nhà xuất bản Thành Phố HCM - 1999. Dương Minh Trí. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn - Nhà xuất bản KHKT - 1992. A B C D E F HInh4-23.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.