Tài liệu Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG BỘ MÔN HỆ THỐNG MÁY TÍNH & TRUYỀN THÔNG GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BIÊN SOẠN: ĐOÀN HÒA MINH - 2008 - 1 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Họ và tên: ĐOÀN HÒA MINH Sinh năm: 1956 Cơ quan công tác: Bộ môn: Hệ thống máy tính và truyền thông (HTMT&TT) (Đã giảng dạy trên 15 năm ở bộ môn Viễn thông & Tự động hóa, chuyển sang bộ môn HTMT&TT từ 2008) Khoa: Công nghệ thông tin và truyền thông. Trường: Đại học Cần Thơ Địa chỉ email để liên hệ: [email protected] 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH ƒ Giáo trình có dùng để tham khảo ở những ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa của các trường đại học kỹ thuật. ƒ Từ khóa: Linh kiện công suất, chỉnh lưu, ổn áp một chiều, điều khiển công suất, biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp, lập trình mô phỏng, MATLAB, PSIM, mạch tạo xung kích. ƒ Yêu cầu kiến thức trước khi học về môn này: đã học lý thuyết về Điện tử công suất. ƒ Chưa xuất bản 2 CHÚ Ý AN TOÀN ĐIỆN Tất cả các mạch thí nghiệm đều sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều 220V. Do đó khi thực tập sinh viên phải luôn cảnh giác giữ an toàn về người lẫn thiết bị thí nghiệm. Để bảo đảm an toàn sinh viên phải tuyệt đối chấp hành các qui định sau đây: 1. Không được chạm vào mạch điện khi đã mở nguồn cấp điện. 2. Khi mắc điện xong, phải báo cáo cho cán bộ hướng dẫn kiểm tra, có sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn mới được mở nguồn cấp điện. 3. Khi đo điện áp, dòng điện hoặc xem dạng sóng cần phải: − Sử dụng đúng giai đo. − Đặt que đo đúng chỗ, đúng cực. − Khi xem dạng sóng ở những điểm có điện thế cao phải dùng bộ điện cực (probe) có giảm áp. 4. Sắp xếp thiết bị và dây dẫn điện ngăn nắp, gọn gàng, thao tác chính xác, tập trung làm bài, không đùa giỡn. 5. Không được di dời các thiết bị thí nghiệm từ bài này sang bài khác. 6. Khi thực tập xong phải tắt điện, sắp xếp gọn gàng các thiết bị trước khi ra về. Sinh viên sẽ chịu trách nhiệm về các sự cố và bồi thường thiết bị hư hỏng nếu không chấp hành đúng các qui định trên. 3 MỤC LỤC THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ............................................................................................................ 2 1. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ.................................................................................................... 2 2. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG CỦA GIÁO TRÌNH ............................................. 2 CHÚ Ý AN TOÀN ĐIỆN ............................................................................................................... 3 MỤC LỤC....................................................................................................................................... 4 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................ 7 U BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN............................................................ 8 1.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 8 1.2. KIẾN THỨC NỀN ............................................................................................................... 8 1.2.1. BJT công suất:............................................................................................................... 8 a) Tải đặt ở chân E .............................................................................................................. 8 b) Đặt tải ở chân C .............................................................................................................. 9 c) Điều khiển gián tiếp ........................................................................................................ 9 1.2.2. MOSFET công suất:.................................................................................................... 10 1.2.3. SCR ............................................................................................................................. 10 a. Ký hiệu .......................................................................................................................... 10 b. Khi phân cực thuận: ...................................................................................................... 11 c. Khi phân cực nghịch:..................................................................................................... 11 d. Tóm lại: ......................................................................................................................... 11 1.2.4. TRIAC......................................................................................................................... 11 1.3. THỰC HÀNH: ................................................................................................................... 12 1.3.1. BJT: ............................................................................................................................ 12 1.3.2. MOSFET .................................................................................................................... 12 1.3.3. SCR ............................................................................................................................. 13 A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20):.......................................................................... 13 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): ........................................................................... 13 1.3.4. TRIAC......................................................................................................................... 14 A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22):........................................................................... 14 B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): ........................................................................... 14 1.4. THIẾT BỊ: .......................................................................................................................... 15 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 15 BÀI 2: MÔ PHỎNG LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN......................................................... 16 2.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 16 2.2. NỘI DUNG ........................................................................................................................ 16 2.2.1. DIODE: ....................................................................................................................... 16 4 2.2.1.1. Mô hình toán học [6]:........................................................................................... 16 2.2.1.2. Thực hành:............................................................................................................ 17 2.2.2. TRANSISTOR ........................................................................................................... 17 2.2.2.1. Mô hình toán học [6]:........................................................................................... 18 Trong mô hình Ebers-Moll cơ bản (hình 3.c), các dòng điện IC, IB, IE được xác định bởi các biểu thức sau: .............................................................................................................. 18 2.2.2.2. Thực hành: [1], [3], [7], [8], [9], [10], [11] .......................................................... 19 2.2.3. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)............................... 20 2.2.3.1. E-MOSFET transistor [2], [12] ............................................................................ 20 2.2.4. THYRISTOR (SCR) [2], [10]..................................................................................... 21 2.2.4.1.Các thông số kỹ thuật cơ bản của SCR là: ............................................................ 22 2.2.4.2. Thực hành [1], [3], [6], [7], [8], [9], [10], [11] .................................................... 22 2.2.5. TRIAC [2], [12]........................................................................................................... 22 2.2.5.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của TRIAC là:....................................................... 23 2.2.5.2. Thực hành:............................................................................................................ 23 2.3. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 23 BÀI 3: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN ................................................................... 24 3.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 24 3.2. CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN ...................................................................................... 24 3.2.1. Sinh viên ôn lại:........................................................................................................... 24 3.2.2. Sinh viên tìm hiểu và giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch tạo xung kích:............ 24 3.3. THỰC HÀNH: ................................................................................................................... 24 3.3.1. Khảo sát Board mạch tạo xung kích: .......................................................................... 24 3.3.2. Khảo sát nguyên tắc điều khiển góc mở: .................................................................... 26 3.3.3. Khảo sát chỉnh lưu cầu dùng 4 diode công suất:......................................................... 27 3.3.4. Khảo sát chỉnh lưu cầu, bán điều khiển....................................................................... 27 3.3.5. Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn .................................................................. 28 a. Mắc tải R ( bóng đèn):................................................................................................... 28 b. Mắc tải R-L (gồm đèn và cuộn cảm nối tiếp): .............................................................. 28 3.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................................................... 28 3.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 29 BÀI 4: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BẰNG MATLAB.............................. 30 4.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 30 4.2. KIẾN THỨC NỀN ............................................................................................................. 30 4.3. THỰC HÀNH .................................................................................................................... 30 4.3.1. Chỉnh lưu 3 pha mạch tia không điều khiển................................................................ 30 a. Chương trình mẫu 1:...................................................................................................... 31 5 b. Câu hỏi: ......................................................................................................................... 33 4.3.2. CHỈNH LƯU 3 PHA MẠCH TIA CÓ ĐIỀU KHIỂN................................................ 34 a. Chương trình mẫu 2:...................................................................................................... 34 b. Câu hỏi: ......................................................................................................................... 36 4.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................. 38 BÀI 5: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PSIM ......... 39 5.1. MỤC ĐÍCH:...................................................................................................................... 39 5.2. KIẾN THỨC NỀN:........................................................................................................... 39 5.3. THỰC HÀNH: .................................................................................................................. 41 5.3.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ: ........................................................ 41 5.3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ: .................................................. 42 5.4. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 43 BÀI 6: ỔN ÁP MỘT CHIỀU........................................................................................................ 44 6.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 44 6.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT ............................................................................................. 44 T 6.2.1. Ổn áp tuyến tính .......................................................................................................... 44 6.2.2. Ổn áp ngắt mở ............................................................................................................. 45 6.3. PHẦN THỰC HÀNH ........................................................................................................ 47 6.3.1. Ổn áp tuyến tính .......................................................................................................... 47 6.3.2. Ổn áp ngắt mở: ............................................................................................................ 49 6.3.2.1. Vi mạch KA3842 có sơ đồ chân: ......................................................................... 50 6.3.2.2. Sinh viên khảo sát mạch và thực hiện các công việc sau:.................................... 50 6.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:.................................................................................................. 51 6.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 51 BÀI 7: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT AC...................................................................................... 52 7.1. MỤC ĐÍCH:....................................................................................................................... 52 7.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT: .................................................................................................. 52 7.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH............................................................................................ 53 A. Câu hỏi lý thuyết : ............................................................................................................ 53 B. Câu hỏi thực hành :........................................................................................................... 54 7.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:................................................................................................. 56 7.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 56 BÀI 8: BIẾN TẦN GIÁN TIẾP.................................................................................................... 57 8.1. MỤC ĐÍCH ....................................................................................................................... 57 8.2. SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN ........................................................................ 57 8.2.1. Phân loại...................................................................................................................... 57 8.2.2. Cấu tạo: ....................................................................................................................... 57 6 a. Bộ chỉnh lưu và mạch trung gian một chiều:................................................................. 58 b. Bộ nghịch lưu áp ........................................................................................................... 58 8.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp :................................................................ 60 a. Phương pháp điều chế độ rộng sin (sin PWM) ............................................................. 60 b. Phương pháp điều chế độ rộng xung vuông (Square PWM) ........................................ 60 c. Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (Optimum PWM) ..................................... 61 8.2.4. Giới thiệu về biên tần SIEMENS G110 ...................................................................... 61 a. Giới thiệu chung ............................................................................................................ 61 b. Sơ lược cấu tạo.............................................................................................................. 62 c. Sử dụng......................................................................................................................... 63 8.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH............................................................................................ 65 A. Câu hỏi lý thuyết .............................................................................................................. 65 B. Phần thực hành trên bộ biến tần dùng BJT công suất và mạch tạo xung kích dùng vi điều khiển 89C51. ......................................................................................................................... 65 C. Phần thực hành trên bộ biến tần Siemens G110. .............................................................. 66 1. Điều khiển G110 từ các DIN......................................................................................... 66 2. Điều khiển G110 từ BOP .............................................................................................. 66 8.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................................................... 67 8.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 68 BÀI 9: BIẾN TẦN TRỰC TIẾP ................................................................................................... 69 9.1. MỤC ĐÍCH ........................................................................................................................ 69 9.2. SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT ................................................................................................... 69 T 9.2.1. Mạch công suất: .......................................................................................................... 69 9.2.2. Mạch điều khiển (mạch tạo xung kích):...................................................................... 69 9.3. CÂU HỎI VÀ THỰC HÀNH............................................................................................ 71 A. Câu hỏi lý thuyết: ............................................................................................................. 72 B. Câu hỏi thực hành............................................................................................................. 73 1. Khảo sát mạch tạo xung kích: ....................................................................................... 73 2. Khảo sát mạch công suất:.............................................................................................. 73 9.4. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:................................................................................................. 74 9.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO:................................................................................................. 74 7 LỜI NÓI ĐẦU Năm 2001, Bộ môn Viễn thông và điều khiển tự động, Khoa Công nghệ thông tin & truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ, đã thực hiện thiết kế lại các bài thí nghiệm Điện tử công suất. Các bài thí nghiệm này đã được thiết kế bao gồm thiết bị thí nghiệm và giáo trình, phục vụ cho các chuyên ngành Điện tử, Viễn thông, Tự động hóa, Kỹ thuật điện,… Giáo trình thí nghiệm Điện tử công suất được thực hiện lần này là sự bổ sung và cải tiến giáo trình thí nghiệm Điện tử công suất năm 2001. Giáo trình được biên soạn gồm 9 bài thực tập cho học phần 2 tín chỉ, thời lượng là 60 tiết thực tập, mỗi bài được thực hành với thời gian 6 tiết, 6 tiết còn lại dành cho kiểm tra học phần. Tuy nhiên, ta cũng có thể chọn ra 5 bài cho học phần 1 tín chỉ. Tôi xin chân thành cám ơn quí thầy cô trong Bộ môn Viễn thông & Kỹ thuật điều khiển, Khoa Công nghệ thông tin & Truyền thông, hiện nay là Bộ môn Viễn thông và Bộ môn Tự động hóa, khoa Công nghệ, đã tham gia thực hiện các bài thí nghiệm năm 2001. Cảm ơn ThS. Phạm văn Tấn, ThS. Nguyễn Hoàng Dũng, TS. Trần Thanh Hùng và quí thầy, cô khác đã có nhiều đóng góp để hoàn thành giáo trình này. Cần Thơ, ngày 18 tháng 2 năm 2009 ĐOÀN HÒA MINH 8 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản BÀI 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Tham gia thực hiện: KS. Trương Văn Tám 1.1. MỤC ĐÍCH Khảo sát các linh kiện công suất: BJT, MOSFET, SCR và Triac. Trong lĩnh vực điện tử công suất, các linh kiện này được dùng như các chuyển mạch (switch). Vì vậy, ta chỉ khảo sát chúng trong hai chế độ đóng (dẫn) và ngắt (ngưng dẫn), riêng với SCR và Triac ta sẽ khảo sát thêm các đặc tính cơ bản như điện thế phân cực, dòng kích, góc mỡ (điều khiển pha)… Qua bài thực hành này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các linh kiện công suất, từ đó, có thể ứng dụng chúng trong thực tế. 1.2. KIẾN THỨC NỀN Để làm tốt bài thí nghiệm này, sinh viên phải tự ôn tập kiến thức nền trong các giáo trình lý thuyết đã học. Đây là các linh kiện quen thuộc, nên trong các phần sau đây chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản. 1.2.1. BJT công suất: Về cấu tạo, nguyên lý họat động cơ bản vẫn giống như BJT công suất nhỏ. Sau đây là các đặc tính riêng của BJT công suất mà ta cần lưu ý: ƒ Hệ số khuếch đại dòng điện β = IC của BJT công suất thường khá nhỏ (khoảng IB vài chục). ƒ Khi dùng BJT như một chuyển mạch, các điểm cần quan tâm là: thời gian chuyển mạch (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn bão hòa sang trạng thái ngưng dẫn và ngược lại) càng ngắn càng tốt; ở trạng thái đóng, mạch kích phải tạo dòng IB đủ lớn (trong thực tế IB lớn từ 2 đến 5 lần IBSAT) để bảo đảm BJT dẫn điện tốt. Tất nhiên, ta phải thiết kế sao cho BJT hoạt động không vượt quá các định mức. B ƒ BJT là lọai linh kiện công suất có thể kích ngắt. Ví dụ: a) Tải đặt ở chân E (Hình 1.1) - Khi SW ở vị trí 1 (nối mass), BJT ngưng dẫn (ngắt): BJT như một SW ở vị trí hở (OFF, R CE = VCE →∞ IC ) và Vo= 0, IL = 0. - Khi SW ở vị trí 2, BJT chuyển sang trạng thái dẫn : R CE = VCE IC Khi BJT dẫn bảo hòa (VCE ≈ 0, thực tế từ 0.1V → 0.2V) thì RCE ≈ 0 (BJT như một SW đóng mạch - ON), V0 ≈ Vi Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 8 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản IC # IL IL Vo Vi RL RB • SW 2 • •1 B+ Hình 1.1 - Việc điều khiển như trên có bất lợi là B+ phải lớn hơn VCC nếu không thì BJT không bão hòa tuyệt đối (phải phân cực thuận cả nối BC và BE). Để cải thiện ta có thể: b) Đặt tải ở chân C (Hình 1.2) c) Điều khiển gián tiếp (Hình 1.3): Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 9 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản * R3 nối B+ ⇒ Q3, Q2, Q1 dẫn bảo hòa, SW ở trạng thái ON * R3 nối mass ⇒ Q3, Q2, Q1 ngưng, SW ở trạng thái OFF Trong hai trường hợp trên B+ chỉ cần khoảng vài volt 1.2.2. MOSFET công suất: ƒ Bài thí nghiệm này khảo sát MOSFET loại tăng (E-MOSFET) chế tạo dưới dạng V-MOSFET (Vertical MOSFET) hay D-MOSFET (Double-diffused MOSFET) ƒ MOSFET kênh N dẫn khi VGS > VGS(th) > 0 và VDS > 0. ƒ MOSFET kênh P dẫn khi VGS < VGS(th)< 0 và VDS < 0. ƒ Ở MOSFET kênh N do VGS > 0 nên tải thường phải mắc ở cực D khi sử dụng MOSFET như một chuyển mạch (Hình 1.4). ƒ MOSFET có ưu diểm là khi bão hòa là VDS xuống rất thấp nên công suất tiêu tán bên trong (dưới dạng nhiệt) nhỏ hơn nhiều so với BJT ƒ Chú ý: BJT được điều khiển bằng dòng điện IB, còn FET thì được điều khiển bằng điện áp VGS và điện áp này tùy thuộc FET nên phải thật cẩn thận tránh để ID vượt quá IDMAX mà FET có thể chịu được. 1.2.3. SCR a. Ký hiệu (Hình 1.5) Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 10 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản b. Khi phân cực thuận: VA >VK (Hình 1.6) - SCR không dẫn điện khi VAK còn nhỏ, khi tăng VAK (bằng cách tăng VAA) đến trị số VBO (điện thế quay về) thì SCR chuyển sang trạng thái dẫn, lúc này VAK giảm xuống còn khoảng 0.7V và hoạt động như Diode chỉnh lưu. Điện áp VBO thường khá lớn (từ vài chục volt đến vài trăm volt tùy SCR). - Thực tế người ta thường tạo dòng kích IG để SCR có thể dẫn điện ngay mà không chờ điện thế cao. Dòng kích IG tối thiểu và tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR nhưng nói chung các dòng này càng lớn (từ vài mA đến vài chục mA) khi SCR có công suất càng lớn. - Khi SCR đã dẫn, nếu ta bỏ dòng kích thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện (không thể tắt SCR bằng cực cổng). c. Khi phân cực nghịch: VA VT1, Triac dẫn điện từ T2 sang T1 khi kích bằng dòng cổng IG dương (VGT1>0) Khi VT1 >VT2, Triac dẫn điện từ T1 sang T2 khi kích bằng dòng cổng âm. Khi Triac ⏐VT2T1⏐# 0,7V Như vậy Triac dùng trong điện xoay chiều thuận lợi hơn SCR. Cũng như SCR, dòng cổng tối thiểu và tối đa cũng tuỳ thuộc vào mỗi Triac. Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 11 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản 1.3. THỰC HÀNH: 1.3.1. BJT: Ta khảo sát một công tắc điện tử dùng BJT. Mạch thực hành như hình sau (Hình 1.8): a) Bật SW về vị trí mass. Đo điện thế của các chân Q1, Q2, Q3. Giải thích kết quả. b) Bật SW về vị trí +5V. Lập lại câu 1. c) Bật SW về vị trí +5V. Đo V0 suy ra IC ( IC# V0 ) của Q1 RL d) Bật SW về vị trí +5V. Đo VCE suy ra RCE của Q1 1.3.2. MOSFET: Mạch thực tập có dạng (Hình 1.19): Tải vi Vi 470Ω/5W 47K VR 10K VD RG 47Ω 47K 0.33Ω Hình 1.19 a) Đo VD chỉnh VR xác định điện thế thềm VGS(th) b) Đo VD chỉnh VR đến khi MOSFET bảo hòa. Xác định thị số tối thiểu của VGS làm FET bảo hòa. Suy ra IDSAT . So sánh VDS(SAT) với VCESAT của BJT. Nhận xét. Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 12 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản 1.3.3. SCR A. Mắc mạch như hình sau: (Hình 1.20): a) Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led (được mắc song song với tải, khi SCR dẫn led cháy sáng). Giải thích kết quả. b) Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c) Đổi cực của nguồn Vi, lập lại câu a, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.21): a) Chỉnh VR quan sát tải. Giải thích. b) Chỉnh VR , dùng dao dộng nghiệm quan sát điện áp hai đầu tải, vẽ lại dạng sóng ở một vị trí nào đó của VR khi SCR dẫn. Giải thích. c) Tại sao bán kỳ âm SCR không dẫn. d) Chức năng của diode D1. e) Làm cách nào để tăng công suất của SCR trong mạch điện xoay chiều? Hình 1.21 Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 13 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản 1.3.4. TRIAC A. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.22): a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả. b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c. Đổi cực của nguồn VI, lập lại câu a và b, giải thích kết quả. B. Mắc mạch như hình sau (Hình 1.23): 2,2K ∼ 50K Tải VR 47Ω Hình 1.23 a. Giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch (nêu rõ chức năng các linh kiện trong mạch điều khiển pha). b. Chỉnh VR, quan sát tải, vẽ lại dạng sóng hai đầu tải. c. Thử nêu vài ứng dụng của mạch này. Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 14 Bài 1: Khảo sát linh kiện công suất cơ bản 1.4. THIẾT BỊ: 1. 01 Mạch thí nghiệm (board lớn). 2. 01 oscilloscope 3. 01 VOM 1.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1]. Các bài giảng và giáo trình ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Bộ Môn Viễn Thông & Kỹ thuật Điều khiển - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT. [2]. TRƯƠNG VĂN TÁM - LINH KIỆN ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Tự Động Hóa - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. [3]. TRƯƠNG VĂN TÁM - MẠCH ĐIỆN TỬ – Giáo trình – Bộ Môn Viễn Thông & Tự Động Hóa - Khoa công Nghệ Thông Tin & Truyền thông – ĐHCT – 2001. Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 15 Bài 2: Mô phỏng linh kiện công suất cơ bản BÀI 2: MÔ PHỎNG LINH KIỆN CÔNG SUẤT CƠ BẢN 2.1. MỤC ĐÍCH Đặc tính hoạt động của linh kiện được mô tả một cách rõ ràng nhất thông qua đặc tuyến của nó. Đặc tuyến của các linh kiện điện tử chỉ phụ thuộc vào loại linh kiện mà không phụ thuộc vào công suất của nó và chúng ta cũng đã biết trong các môn lý thuyết linh kiện điện tử và điện tử công suất. Đặc tuyến của một linh kiện có thể xây dựng từ thực nghiệm hoặc vẽ ra từ mô hình toán học của nó. Tuy rằng linh kiện công suất hoạt động chủ yếu ở hai chế độ ngắt (ngưng dẫn) và đóng (dẫn bão hòa), nhưng việc vẽ đặc tuyến của linh kiện giúp cho sinh viên nắm được đặc tính hoạt động của linh kiện, từ đó sử dụng chúng tốt hơn trong các mạch công suất. Vì vậy, nội dung chủ yếu của bài này là vẽ đặc tuyến của các linh kiện điện tử cơ bản từ các mô hình toán học của nó, với sự trợ giúp của máy tính. Bài thực tập này còn giúp cho sinh viên nắm được các nguyên tắc cơ bản của việc mô phỏng linh kiện hay mạch điện tử bằng máy vi tính. 2.2. NỘI DUNG 2.2.1. DIODE: Đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện I [A] qua diode vào điện áp V[V] giữa anode A và cathode K của diode. Qui ước: chiều dương của I là chiều từ anode đến cathode, tương ứng với chiều dương của điện áp hướng về anode. Hình 2.1 mô tả cấu tạo (a) và ký hiệu của diode (b) . A A I P N V Phaân cöïc thuaän: U > 0, I > 0 Phaân cöïc nghòch: U < 0, I < 0 K K (a) + (b) Hình 2.1 2.2.1.1. Mô hình toán học [6]: ⎡ ⎛V I = I S ⎢exp⎜⎜ ⎣⎢ ⎝ Vt ⎞ ⎤ kT ⎟⎟ − 1⎥ với Vt = được gọi là nhiệt điện thế. e ⎠ ⎦⎥ Trong đó: IS là dòng điện rỉ; T là nhiệt độ tuyệt đối; e = 1,59.10-19Coulomb; và k = 1.38.10-23 (hằng số Boltzmann). IS = 1,2mA đối với diode Germanium. IS = 0,2nA đối với diode Silicon. Ở nhiệt độ bình thường T = 3000K, Vt = 0,026 Volt Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 16 Bài 2: Mô phỏng linh kiện công suất cơ bản Khi phân cực thuận, dòng điện qua diode tăng nhanh, vì thế phải hạn chế dòng điện qua diode để nó không bị đánh thủng. Khi diode dẫn diện, điện áp phân cực thuận V=0,3 Volts đối với diode Ge và V=0,7 Volts đối với diode Si. Do đó, V/Vt > 10 và exp(V/Vt) >>1. ⎛V I ≈ I S exp⎜⎜ ⎝ Vt Suy ra: ⎞ ⎟⎟ ⎠ Công thức trên chỉ đúng khi dòng điện qua mối nối khá lớn. Với dòng điện nhỏ (vài mA trở xuống) dòng điện qua diode là: I ≈ Is[exp(V/ηVt)-1] Trong đó: η=1 đối với diode Ge, η=2 đối với diode Si Trong thí nghiệm, mạch phân cực để vẽ đặc tuyến của diode như sau: 2.2.1.2. Thực hành: 1) Dự vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến I-V của diode bằng ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý) với V biến thiên từ -10V đến 0.7V cho diode Si ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mô phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. Dựa vào đặc tuyến vẽ được, hãy ghi lại các đại lượng: IS khi phân cực ngược và V khi phân cực thuận. [1], [6] 2) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến của diode và so sánh với kết quả ở câu 1. [3], [7], [8], [9] Cho nhận xét. 2.2.2. TRANSISTOR Cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương Ebers-Moll của transistor NPN lần lượt được trình bày trong hình 2.2 (a), (b), (c). •C IC C VBC N B P IR C B B• N E ICC (ICS) IB • (IES) VBE IEC IF E (a) IE • (c) E (b) Hình 2.2 Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 17 Bài 2: Mô phỏng linh kiện công suất cơ bản 2.2.2.1. Mô hình toán học [6]: Trong mô hình Ebers-Moll cơ bản (hình 3.c), các dòng điện IC, IB, IE được xác định bởi các biểu thức sau: Ic = αFIES[exp (VBE/Vt)-1]-ICS[exp(VBC/Vt)-1] IE = -IES[exp(VBE/Vt)-1]+IS[exp (VBCV/vt)-1] IB = -(IC+IE) Trong đó: IES: dòng điện bảo hòa ngược của diode B-E ICS: dòng điện bảo hòa ngược của diode B-C αF và αR lần lượt là độ lợi dòng điện thuận và ngược ở chế độ tín hiệu lớn của BJT cực nền chung. Hai nguồn dòng điện ICC và IEC được điều khiển bởi IF và IR như sau: IF=ICC/αF IR=IEC/βR ICC=αFIES[exp(VBC/Vt)-1]=αFIF IEC=αRICS[exp(VBC/Vt)-1]=αRIR Ta có: αFIES = αRICS = IS (dòng bảo hòa của BJT) Suy ra: IF=IS/αR [exp(VBE/Vt)-1] IR=IS/αR [exp(VBC/Vt)-1] IEC=IS[exp(VBC/Vt)-1] ICC=IS[exp(VBE/Vt)-1] Dựa vào kết quả này, ta có thể biểu diễn transistor theo mô hình vận chuyển (transport model) như trong hình 2.3.a . IC VBC B• •C IC IEC/αR IB ICC (IS/αR) • VBE IEC/βR IB B• (IS/αF) IEC ICC/αF •C ICC/βF • ICC -IEC (IS/βF) IE (a) IE • E Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Hình 2.3 • (b) E Trang 18 Bài 2: Mô phỏng linh kiện công suất cơ bản Nói chung các tham số αF và αR thường không được dùng để mô hình hóa transistor, người ta thay thế bằng các tham số thân thiện hơn, đó là: và βR=αR/(1-αR) βF=αF/(1-αF) βF và βR lần lượt là độ lợi dòng điện thuận và độ lợi dòng điện ngược của transistor mắc cực E chung. Mô hình Ebers-Moll có thể được thay đổi bằng cách thay thế ICC và IEC bởi một nguồn dòng duy nhất có biểu thức như sau: ICT = ICC – IEC = IS[exp(VBE/VT) - exp(VBC/VT)] Mô hình này được trình bày trong hình 2.3.b. 2.2.2.2. Thực hành: [1], [3], [7], [8], [9], [10], [11] 1) Dựa vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến ngõ vào với VBE biến thiên từ 0 đến 0.7V của BJT loại Silicon bằng ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mô phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 2) Dự vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến ngõ ra với VCE biến thiên từ 0 đến 24V của BJT loại Silicon bằng ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường. Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mô phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 3) Dự vào mô hình toán học, hãy viết chương trình vẽ đặc tuyến truyền của BJT loại Silicon bằng ngôn ngữ MATLAB (hoặc ngôn ngữ tuỳ ý), ở nhiệt độ bình thường, với VCE biến thiên từ 0 đến 24V và VBE biến thiên từ 0 đến 0.7V . Chạy thử chương trình và so sánh kết quả mô phỏng được với đặc tuyến lý thuyết đã học. 4) Dùng phần mềm Multisim V6.20 hoặc 5.12 (Electronics WorkBench) để vẽ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra của BJT, so sánh với kết quả ở câu 1, câu 2 và câu 3. Cho nhận xét. Gợi ý: Dựa vào mô hinh cấu trúc này ta tìm được: IC= IS(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBC/Vt)-1] IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] IE=IS[(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] Phương trình đặc tuyến ngỏ vào của transistor: IB=f(VBE)|VCE IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR[exp(VBE/Vt)-1] Thay VBC=VBE-VCE, suy ra: IB= IS/βR[exp(VBC/Vt)-1]+ IS/βR{exp(VBE--VCE)/Vt]-1} Phương trình đặc tuyến ngỏ ra của transistor: IC=f(VCE)|IB IC= IS(VBE/Vt)-exp(VBC/Vt)]-IS/βR[exp(VBC/Vt)-1] Thực tế VBE<<-Vt, suy ra: IC=ISexp(VBE/Vt) Phương trình đặc tuyến truyền của transistor: IC=f(VBE)|VCE Giáo trình thí nghiệm điện tử công suất Trang 19