Khóa luận Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới

ng suất hàng trăm KW đến Giang Cao S¬n K46§C 21 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp công suất cực lớn hàng MW. Tuy nhiên GTO có nhược điểm lớn đó là khả năng chịu điện áp ngược rất thấp, hầu như không chịu được điện áp ngược. *) Tranzito MOSFET: Với tần số làm việc lớn nhất (hơn 100KHz). Tuy nhiên do điện trở thuận khi dẫn dòng điện lớn nên MOSFET chỉ phù hợp với dòng điện cỡ 200A trở xuống và điện áp dưới 1000V MOSFET có khả năng đóng cắt dòng điện một chiều lớn như vậy mà nó lại được điều khiển bằng điện áp với dòng cực nhỏ. Đây là ưu điểm rất lớn của MOSFET, nhờ vậy các mạch điều khiển đơn giản rất phù hợp với các mạch điều khiển cho công suất nhỏ (dưới 200A). *) Tranzito lưỡng cực, BJT: BJT có ưu thế hơn MOSFET ở khả năng chịu dòng lớn hơn tới 750A và khả năng chịu dòng áp lớn hơn ( tới 1500V). Tuy nhiên để có thể điều khiển dòng lớn như vậy thì BJT cũng cần có dòng điều khiển khá lớn. IB=Kbh β CI với Kbh = 1,2÷1,5V Hệ số khuyếch đạiβ rất thấp khoảng hàng chục lần.Vì thế nhược điểm rõ nhất là khi dùng BJT cho đóng cắt công suất lớn thì mạch điều khiển lớn, phức tạp, tổn hao năng lượng. *) IGBT( Insulated Gate Bipolar Tranzitor): Có khả năng đóng cắt dòng điện tới 2000A và điện áp dưới 2000V. IGBT có cực điều khiển bằng điện áp, tần số đóng cắt cao hơn nhiều so với GTO (100KHz) qua đó IGBT là phần tử có tính ưu việt, nó kết hợp được điểm mạnh của MOSFET đó là khả năng đóng cắt nhanh và được điều khiển dễ dàng, cộng với ưu điểm của BJT là khả năng đóng cắt dòng điện lớn. Nhờ thế IGBT ngày nay được sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần, tạo xung với công suất lớn. Tuy nhiên ở thị trường Việt Nam thì việc tìm IGBT không phải là đơn giản. Đối với các linh kiện công suất thì việc toả nhiệt cho nó là một vấn đề phải được tính đến, do đó ta cần xem xét vấn đề này. 1.2.6. Vấn đề toả nhiệt cho linh kiện công suất Tổn hao công suất được tính bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điện áp rơi trên phần tử biểu hiện dưới dạng nhiệt. Nhiệt lượng toả ra tỷ lệ với giá trị trung bình của tổn hao công suất. Trong quá trình làm việc, nhiệt độ của bản thân cấu trúc bán dẫn phải luôn dưới ở một giá trị cho phép (khoảng 120-1500C theo đặc tính kỹ thuật của phần tử), vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải tiêu tán để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về nhiệt độ và độ bền của linh kiện điện tử. Giang Cao S¬n K46§C 22 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.6.1. Mô hình truyền nhiệt Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhiệt lượng trao đổi PT tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ theo hệ số, gọi là trở kháng truyền nhiệt RT. Theo đó PT = TR TT )( 21 − Trong đó: PT[W]; T[0C]; RT[0C/W] Sự cân bằng nhiệt sảy ra khi nhiệt lượng phát sinh bằng nhiệt lượng toả ra môi trường PTdt=Ad dtBθθ .+ Trong đó: PT: công suất phát nhiệt trên phần tử [w] A: nhiệt lượng riêng, bằng nhiệt lượng làm cho nhiệt độ phần tử thay đổi 10C [J] B: công suất toả ra để nhiệt độ môi trường tăng thêm 10C [J] θ : chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [0C] Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng: PT = A θθ .Bdt d + (*) Giả sử ở thời điểm t=0 chênh lệch nhiệt độ là θ =0, nghiệm của phương trình (*) sẽ là: θ =θ max[1- T t eτ ] Trong đó: θ max = B PT là chênh lệch nhiệt độ lớn nhất đạt được Tτ = B A là hằng số thời gian nhiệt Hình18. Đường cong phát nhiệt Giang Cao S¬n K46§C 23 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Đường cong thay đổi nhiệt độ được thể hiện trên hình 18 ứng với 2 công suất phát nhiệt khác nhau PT1>PT2. Dạng đường cong nhiệt độ như trên hình 18 chỉ đúng cho môi trường đồng nhất, ví dụ một bản nhôm hay đồng. Tuy nhiên phần tử bán dẫn được gắn lên bộ phận toả nhiệt là một môi trường không đồng nhất vì thể tích nhỏ nên khả năng tích nhiệt kém sẽ tăng rất nhanh. Nhiệt lượng từ phần tử truyền ra cánh toả nhiệt, rồi từ đó truyền ra môi trường. Sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử, cánh toả nhiệt, môi trường. Tương ứng giữa các bộ phận giáp nhau sẽ có trở kháng truyền nhiệt khác nhau. Mô hình hệ thống toả nhiệt được mô tả trên hình 19. Hình 19. Mô hình truyền nhiệt Hình 19 cũng thể hiện được nhiệt độ giảm từ phần tử Tj tới vở phần tử TV, tới cánh toả nhiệt Th và tới môi trường Tn. Dòng nhiệt truyền từ cấu trúc bán dẫn ra đến vỏ phần tử, từ vỏ đến cánh toả nhiệt và từ cánh toả nhiệt ra ngoài môi trường. Giữa các môi trường tiếp giáp nhau thì có trở kháng toả nhiệt là: Rth=Rth(j-v) , Rth(v-h), Rth(h-a) Do đó trở kháng toả nhiệt sẽ bằng tổng trở kháng toả nhiệt giữa các vùng tiếp giáp nhau Rth=Rth(j-v) + Rth(v-h) + Rth(h-a). Như vậy, nhiệt độ giả tưởng của cấu trúc bán dẫn sẽ là Tj = Ta+PT.Rth Biểu thức này thường được sử dụng để xác định Rth cần thiết khi biết nhiệt độ giới hạn Tj của phần tử, nhiệt độ làm việc của môi trường Ta và công suất phát nhiệt PT. Giang Cao S¬n K46§C 24 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.6.2. Tính toán toả nhiệt 0 Hinh 20. Đồ thị nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép Hình 20 mô tả đồ thị nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép giữa công suất lớn có thể toả ra ngoài môi trường và nhiệt độ vỏ phần tử phụ thuộc nhau theo biểu thức: Pmax = constR T vjth V =− − )( max, 25 ( trong đó giả thiết nhiệt độ môi trường là 250C) Mối quan hệ giữa nhiệt độ và công suất toả nhiệt lớn nhất cho phép được thể hiện ở hình 20. Theo đó khi nhiệt độ cấu trúc bán dẫn bằng nhiệt độ cực đại cho phép TJ,max thì công suất toả nhiệt sẽ bằng 0, đồng nghĩa với việc phần tử bán dẫn bị phá huỷ. Các số liệu này ( đồ thị hình 20) cho mỗi phần tử bán dẫn được cho trong đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất. Để đảm bảo cấu trúc bán dẫn ở một nhiệt độ thích hợp ta phải gắn phần tử bán dẫn lên một cánh toả nhiệt. Khi đó: Pmax = constR T ajth V =− − )( max, 25 Theo mô hình truyền nhiệt trên hình 19 ta có : Tj : nhiệt độ của cấu trúc bán dẫn, cho bởi nhà sản xuất TV: nhiệt độ vỏ của phần tử Th : nhiệt độ cánh tản nhiệt Ta : nhiệt độ môi trường Pth: tổn hao phát nhiệt trong phần tử, được tính toán bởi người sử dụng Rth(j-v): trở kháng nhiệt giữa cấu trúc bán dẫn và vỏ cho bởi nhà sản xuất Giang Cao S¬n K46§C 25 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Rth(v-h): trở kháng nhiệt giữa vỏ và cánh toả nhiệt, phụ thuộc hình dạng kích thước vỏ phần tử, cho bởi nhà sản xuất. Rth(h-a): trở kháng nhiệt giữa cánh toả nhiệt và môi trường cho bởi nhà sản xuất ra cánh toả nhiệt. Rth(h-a) = )( )()( max, max, hvthvjth th aJ RR P TT −− +−− Giá trị Rth(h-a) cho phép chọn được loại toả nhiệt theo yêu cầu dựa vào đặc tính của một số loại toả nhiệt do nhà sản xuất cung cấp. 1.2.7. Vấn đề chung về dao động và khảo sát IC LM3524 1.2.7.1. Các vấn đề chung về tạo dao động Mạch tạo dao động có thể tạo ra dao động có dạng khác nhau: xung sin, xung chữ nhật, xung tam giác, xung răng cưa… Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số, biên độ, điện áp, độ ổn định tần số, công suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài thông số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu với các tham số khác, nghĩa là tuỳ vào yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và xác định tham số một cách hợp lý. *) Điều kiện tạo dao động và đặc điểm của mạch tạo dao động K (1) K ht (2) X’r a’ a rX XV Hình 21 mô tả sơ đồ khối mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp. Trong đó (1) là khối khuyếch đại có hệ số khuyếch đại K = k.ej kϕ và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt htjhtht ekK ϕ.= . Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu vX và giả thiết K . htK =1 thì rX ' = Xv vì rX ' = K . htK . vX khi đó tín hiệu lối vào của mạch khyếch đại Xv và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp rX ' bằng nhau cả về biên độ và pha nên có thể Hình 21 21 Giang Cao S¬n K46§C 26 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp nói đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu ra vẫn không thay đổi. Lúc này ta có sơ đồ khối mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. Như vậy trong sơ đồ hình 21, chỉ có dao động mà tần số thoả mãn điều kiện K . htK =1 (1) Vì K và htK đều là những số phức nên (1) có thể viết lại như sau: K . htK = K.Kht. = 1 (2) )( htkie ϕϕ + Trong đó: K : modul hệ số khuyếch đại Kht: modul hệ số hồi tiếp kϕ : góc di pha của bộ khuyếch đại htϕ : góc di pha của mạch hồi tiếp Có thể tách biểu thức (2) thành 2 biểu thức: K.Kht = 1 (3) ϕ = kϕ + htϕ = 2π n với n = 0,±1, ±2,.. (4) Như vậy ta nhận thấy: Mạch chỉ có thể tạo được dao động khi hệ số khuyếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra, đây là điều kiện cân bằng về biên độ (3) dao động chỉ có thể được phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu lối vào, điều kiện cân bằng pha (4). 1.2.7.2. Một số mạch tạo xung vuông Có rất nhiều nguyên tắc để tạo ra xung vuông, một trong những nguyên tắc cơ bản đó là: sử dụng mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định (đơn hài) và mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định( đa hài). *) Mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định, đơn hài Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền trạng thái thứ hai chỉ ổn định trong một thời gian nhất định nào đó, sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn định ban đầu. Giang Cao S¬n K46§C 27 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Vout 0 0 t 2τ 1τ b) Giản đồ xung t Vin Đơn hài VoutVin a) Sơ đồ khối mạch đơn hài Hình 22 Để tạo mạch đơn hài ( hình 22 a) ta có thể sử dụng Tranzito hoặc dụng mạch IC. Qua đồ thị (hình 22b) ta có nhận xét sau: Mạch đơn hài sẽ tạo ra một xung có độ rộng là 1τ khi có một xung đưa vào lối vào Vin. Độ rộng xung 1τ không phụ thuộc vào độ rộng của xung lối vào 2τ . *) Mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định, đa hài Mạch đa hài là mạch tự dao động, phát ra xung vuông với tần số và độ rộng phụ thuộc vào tham số RC của mạch, Mạch hoạt động theo nguyên tắc lật trạng thái. Mạch chỉ ổn định trong một khoảng thời gian hạn chế nào đó, rồi tự động lật sang trạng thái kia và ngược lại, mạch tạo ra được xung vuông. Như vậy, bằng việc kết hợp mạch đa hài và đơn hài (hình 25) ta có thể tạo ra được xung vuông lối ra có tần số và độ rộng có thể thay dổi được. Đơn hài Đa hài Hình 25 Ngày nay có rất nhiều các IC chuyên dụng phục vụ cho các mục đích khác nhau, với các thông số kỹ thuật tốt hơn hẳn so với các mạch rời rạc. Giang Cao S¬n K46§C 28 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.7.3. Máy phát xung với tần số và độ rộng có thể thay đổi được, sử dụng IC LM3524 IC LM3524 có sơ đồ khối và sơ đồ chân ra như hình vẽ 26a,b Hinh26a. Sơ đồ khối Hinh 26b. Sơ đồ chân ra Giang Cao S¬n K46§C 29 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Giang Cao S¬n K46§C 30 LM3524 có một số thông số kỹ thuật sau: - Điện nguồn nuôi: 8V÷ 40 V - Công suất: 1W - Dòng xung lớn nhất: 100mA - Tần số lối ra lớn nhất: 100KHz Từ sơ đồ khối hình 26a ta thấy: Tần số lối ra phụ thuộc và thông CT và RT ở mạch ngoài. Độ rộng xung có thể thay đổi được nhờ vào ngưỡng điện áp UN đưa vào chân 9 ( Compasation) ở hình 27 xung lối ra được đệm qua 2 Tranzito n-p-n hở colector do đó ta có thể chon mức logic lối ra phù hợp với nhu cầu sử dụng. V 2τ 1τ Un2 Un1 V V t t t Hình 27. Nguyên tắc hình thành độ rộng xung §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Sơ đồ mạch phát xung sử dụng IC LM3524. INV INPUT1 IN INPUT2 Vref 16 Vc 15 OSC QUTPUT3 +CL SENSE4 - CL SENSE5 RT6 GND8 E1 11 C2 13 E2 14 E1 9 E2 10CT7 C1 12 LM3524 100K R4 100KR3 10K R1 10K R2Rx Cx 10K R5 Un VCC Hình 28. Sơ đồ máy phát xung sử dụng LM3524 *) Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ trên hình 28 - R1 và R2 được mắc vào 2 chân emittor 1 và emittor 2, chân 14 và chân 11 là 2 điện trở tải emittor cho 2 Tranzito lối ra, cực collector 1 và collector 2( chân 12 và chân 13) được mắc trực tiếp lên đương nguồn ( + Vc). Như vậy biên độ xung lối ra có giá trị điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi ( + Vc). - Tụ Cx được mắc vào chân 7 và Rx được mắc vào chân 6. Tần số xung lối ra (chân 3 hoặc chân 11,14) phụ thuộc vào trị số của Cx và Rx. - Chân 16 ( Chân tạo thế chuẩn 5V) được mắc với chân 2 qua điện trở R2. - Chân 9 mắc với chân1 bởi điện trở R4. Và như vậy hình thành một mạch khuếch đại offset với điện áp lối ra (chân 9) là hiệu của hai điện áp Vref bằng 5 V (chân 16) và điện áp ngưỡng Un đưa vào chân 1. - Khi cấp nguồn +Vc nhờ bộ tạo dao động mà xuất hiện xung răng cưa ở chân 7. - Tăng từ từ điện áp đưa vào chân 1 (Un) khi đến một giá trị điện áp Un* thì ở lối ra ( chân 14 và 11) có xung ra. Nếu tiếp tục tăng Un thì độ rộng xung ra tăng cho đến khi mức cao và mức thấp cố độ rộng như nhau, lúc đó cho dù có tăng Un nữa thì độ rộng xung lối ra không thay đổi ( xem hình 27). Giang Cao S¬n K46§C 31 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp 1.2.8. Khảo sát nguyên tắc ổn áp cổ điển và ổn áp xung 1.2.8.1. Vấn đề chung về ổn định điện áp Ổn định điện áp(gọi tắt là ổn áp) một chiều trên tải khi điện áp lối vào thay đổi hoặc khi tải biến đổi. Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế sự ghép ký sinh giữa các tầng, giữa các thiết bị dùng chung nguồn nuôi. Việc ổn định điệp áp xoay chiều bằng các bộ ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế và tốn kém, nhất là khi điên áp xoay chiều biến động nhiều. Bộ ổn áp một chiều băng phương pháp điện tử được dung phổ biến hơn, đặc biệt khi công suất tải yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều. Các chỉ tiêu cơ bản của một bộ ổn áp là: - Hệ số ổn áp xác định bằng tỷ số giữa lượng biến thiên tương đối của điện áp đầu vào và điện áp đầu ra khi tải ở một giá trị cố định không đổi. Kôđ = ra ña vao vao u du u du (khi Rt = const) Kôđ : hệ số ổn áp Uvào: điện áp vào bộ ổn áp Ura : điện áp ra của bộ ổn áp Rt : tải lối ra của bộ ổn áp Hệ số ổn áp theo tải: Ktải = % ra ra U U∆ 1rarara UUU −=∆ Ktải : hệ số ổn áp theo tải Ura : điện áp ra khi không tải Ura : điện áp ra khi dòng tải cực đại, Imax - Điện trở ra đăc trưng cho sự biến thiên của điện áp ra khi dòng điện tải thay đổi. Rra = tai ra dI dU (khi Uvao = conts) - Hiệu suất đo băng tỷ số công suất ra tải và công suất danh định ở đầu vào. Giang Cao S¬n K46§C 32 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp vaovao taira IU IU . .=η - Lượng trôi(lượng không ổn dịnh) của dòng điện hay điện áp một chiều ra tải. od vao troi K U U ∆=∆ Các dạng bộ ổn áp trên thực tế chia thành ba loại chính: - Ổn áp kiểu tham số - Ổn áp kiẻu bù tuyến tính - Ổn áp kiểu bù xung Ổn áp kiểu tham số và kiểu bù tuyến tính được xếp vào kiểu ổn áp cổ điển. 1.2.8.2. Ổn áp kiểu tham số dùng điốt zener Uz Uz∆ Uv Uz∆ b) Đặc trưng vôn-Ampe U I DZ R UrUv a) Sơ đồ ổn áp zener Hình 29 Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng đánh thủng zener và hiệu ứng đánh thủng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược. Như vậy điốt zener ổn định điểm làm việc ở chế độ phân cực ngược. Những tham số kỹ thuật của điốt zener là: - Điện áp ổn định Uz (điện áp zener) là điện áp ngược đặt lên điốt làm phát sinh ra hiện tượng đánh thủng. Trên thực tế đối với điốt zener chỉ có một khoảng rất hẹp mà nó có thể ổn định được. Khoảng này bị giới hạn bởi khoảng đặc tuyến của điốt từ phạm vi dòng bão hoà sang phạm vi dòng đánh thủng (hình 29b). - Điện trở động rdz của điốt zener được định nghĩa là độ dốc của đặc tuyến tĩnh của làm việc. Giang Cao S¬n K46§C 33 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp rdz = z z dI dU Do đó ta có thể thấy rằng độ dốc của đường đặc tuyến ở phần đánh thủng có tác dụng quyết định đến chất lượng ổn dịnh của điốt. Khi điện trở động bằng không thì sự ổn định điện áp đạt tới mức lý tưởng. *) Nguyên lý làm việc và đặc tuyến của bộ ổn áp kiểu tham số dùng điốt zener được minh hoạ trên hình 29. Khi điện áp vào Uv biến đổi lượng Uv∆ khá lớn. Từ đặc tuyến của điốt zener silic, ta thấy điện áp ổn định biến đổi rất nhỏ và dòng qua điốt tăng lên khá lớn. Như vậy toàn bộ năng lượng tăng giảm của Uv hầu như hạ trên R, điện áp ra tải hầu như không đổi. Nếu Uv = const và chỉ có dòng tải It tăng sẽ gây nên sự phân phối lại dòng điện. Khi đó dòng Io giảm xuống ( dòng Io là dòng ổn áp) kết quả là khi dòng tải It tăng đến mức nào dó thì diểm làm việc của zener sẽ rơi vào vùng điện trở động lối ra biến đổi và làm cho Uz thay đổi, khả năng ổn định điện áp không còn nữa. Bộ ổn áp tham số có ưu điểm là mạch đơn giản, tiết kiệm. Khuyết điểm của nó là chất lượng ổn áp thấp, chỉ đáp ứng được dòng tải rất nhỏ, không thay đổi được điện áp ra theo yêu cầu. 1.2.8.3. Ổn áp kiểu bù dùng bộ khuếch đại có điều khiển Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù( cỏn gọi là ổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Bộ ổn áp bù có 2 dạng cơ bản là: - Kiểu ổn áp bù song song - Kiểu ổn áp bù nối tiếp Ech Y D IR - + + - It Rt Ur Uv Rd Hình 30a. Ổn áp bù song song Giang Cao S¬n K46§C 34 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Sơ đồ khối bộ ổn áp kiểu song song được minh hoạ bởi hình 30a. Nguyên lý làm việc của loại này tương tự bộ ổn áp tham số, trong đó phần tử ổn áp mắc song song với tải được thay bằng phần tử điều khiển (D), dòng điện trong giới hạn cần thiết qua đó điều chỉnh giảm áp trên điện trở Rđ theo xu hướng bù lại. Ur = Uv- URđ Do đó điện áp ra tải được giữ không đổi. Bộ tạo điện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp Ur ở bộ so sánh và độ sai lệch giữa chúng được khuếch đại nhờ khối Y. điện áp ra của Y sẽ khống chế phần tử điều chỉnh D. Sự biến đổi dòng điện qua tải từ 0 - Imax sẽ gây nên sự biến đổi tương ứng dòng điện qua phần tử điều chỉnh từ Idmax ÷0. D - + + - It Rt Y Ech Hình 30b. Ổn áp bù nối tiếp Ur Uv Hình 30b biểu thị sơ đồ khối bộ ổn áp bù mắc nối tiếp, trong đó phần tử điều chỉnh D được mắc nối tiếp với tải, do dó dòng diện qua tải cũng gần bằng qua D. Nguyên lý hoạt động của bộ ổn áp dựa trên sự biến đổi điện trở trong của phần tử điều chỉnh D theo mức độ sai lệch của điện áp ra,(sau khi đã được so sánh và khuếch đại). Giả sử vì nguyên nhân nào đó làm Ur biến đổi, qua mạch so sánh và khuếch đại Y tín hiệu sai lệch sẽ tác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho điện trở của nó biến đổi theo xu hướng là Uđc trên D bù lại sự biến đổi của Uv. Ta có Ur = Uv - Uđc do có sự biến đổi cùng chiều gữa Uv và Uđc làm cho Ur sẽ ổn định hơn. Trong 2 sơ đồ hình30a,b. Phần tử điều chỉnh gây ra tổn hao chủ yếu về năng lượng trong bộ ổn áp và làm hiệu suất của bộ ổn áp không vượt quá 60%. Trong sơ đồ mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định bằng công suất tổn hao trên Rđ và trên phần tử điều chỉnh D là: PTH = (Uv-Ur).It + Uv.ID Giang Cao S¬n K46§C 35 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp Trong sơ đồ mắc nối tiếp, công suất tổn hao chỉ do phần tử điều chỉnh quyết định. PTH = (Uv - Ur). It Trong đó: PTH : công suất tổn hao Uv : điện áp vào Ur : điện áp ra It : dòng điện qua tải Rt Vậy sơ đồ nối tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ mắc song song một lượng là Uv*ID nên hiệu suất của sơ đồ ổn áp nối tiếp cao hơn và được dùng phổ biến hơn. Sơ đồ ổn áp song song cũng có ưu điểm đó là: không gây nguy hiểm khi quá tải vì nó làm ngắn mạch đầu ra. Sơ dồ ổn áp nối tiếp mặc dù có ưu điểm là hiệu suất cao hơn, nhưng cần phải có thiết bị bảo vệ vì khi quá tải, dòng qua phần tử điều chỉnh D và bộ chỉnh lưu sẽ quá lớn, dễ gây sự cố cho chỉnh lưu, phần tử diều chỉnh D và biến áp. 1.2.8.4. Ổn áp xung Điểm quan trọng nhất của bộ ổn áp bù tuyến tính là sự sai lệch điện áp ra được đặt liên tục trên một Tranzito công suất để điều chỉnh để bù lại sai lệch này và giá trị điện áp ra sau bộ ổn áp sẽ là: Ura = Uổnđịnh ≤ Uvào min (Uvào min là giá trị nhỏ nhất của điện áp đưa tới bộ ổn định). Ở các bộ ổn áp xung, người ta thay Tranzito điều khiển bằng một bộ chuyển mạch xung. Trị số trung bình(1chiều) của điện áp ở lối ra được điều chỉnh nhờ việc đóng hay mở chuyển mạch theo một chu kỳ xác định, với thời gian đóng hay mở có thể xác điều chỉnh được theo mức độ sai lệch của điện áp ra Ura. Nếu đặt bộ chuyển mạch của điện tử ở mạch thứ cấp của biến áp nguồn, ta nhận được bộ ổn áp xung thứ cấp. Nếu đặt bộ chuyển mạch điện tử ở mạch sơ cấp, ta có bộ ổn áp xung sơ cấp. Để giảm công suất tổn hao của biến áp, người ta chọn tần số làm việc của chuyển mạch cao ( vài KHz đến vài chục KHz). Bằng cách đó kích thước, trọng lượng của biến áp giảm đi vài lần và hiệu suất năng lượng chung của bộ ổn áp có thể đạt trên 80%. Các chuyển mạch điện tử là các tranzito công suất làm việc ở chế độ xung. Việc điều khiển đóng mở tranzito được thực hiện nhờ xung vuông đưa tới Bazơ, có chu kỳ xung không đổi. Tồn tại 3 khả năng điều khiển tranzito chuyển mạch là: - Thay đổi độ rộng xung điều khiển theo mức sai lệch của Ura, nhờ đó điều chỉnh được điện áp ra. Giang Cao S¬n K46§C 36 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp - Thay đổi độ trống của xung điều khiển - Thay đổi đồng thời cả độ rộng và độ trống của xung điều khiển Như vậy ổn áp xung có hiệu suất cao hơn kiểu ổn áp cổ điển(có thể đạt trên 80%), nhờ tần số làm việc của biến áp khoảng vài KHz đến vài chục KHz, nhờ dó mà biến áp có hiệu suất cao, kích thước được thu nhỏ hơn rất nhiều lần so với biến áp hoạt động ở tần số 50Hz . Ổn áp xung có thể ổn định điện áp với điện áp lối vào biến đổi ở dải rộng mà tổn hao năng lượng nhỏ. Một lợi thế của ổn áp xung nữa là: do biến áp hoạt động ở tần số cao cho nên khi chỉnh lưu ra điện áp một chiều thì chỉ cần tụ lọc có trị số nhỏ và cuộn chặn trên lõi ferit tần số cao rất nhỏ, nhờ đó càng làm giảm kích thước và hạ giá thành của nguồn ổn áp. Qua mục 1.2 chúng ta đã khảo sát một số linh kiện đóng cắt cho nguồn một chiều, các vấn đề chung về tạo dao động, IC LM3524, các loại nguồn ổn áp. Trên cơ sở này ta lựa chọn phương án thiết kế dựa trên sơ đồ khối tổng quát được trình bày ở mục 1.1.2, phục vụ yêu cầu đề tài “ Chế tạo nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới”. 1.2.9. Lựa chọn phương án thiết kế Trên cơ sở đã khảo sát ICLM3524 và nhiệm vụ chế tạo, ta lựa chọn IC LM3524 làm máy phát xung vuông, với tần số có thể thay đổi được bằng điện trở, tụ điện, mạch ngoài và có thể thay đổi độ rộng xung. Việc lựa chọn IC LM3524 với lý do đó là một IC điều chế độ rộng xung (PWM) chuyên dụng, hoạt động tin cậy và ổn định, thiết kế đơn giản, đáp ứng được nhiệm vụ chế tạo. Để nâng dòng ra của xung thì xung lối ra của máy phát xung cần phải đệm qua tầng công suất. Như vậy việc lựa chọn linh kiện để đạt công suất của xung ra là cần thiết. Chúng ta đã khảo sát một số linh kiện điện tử công suất đóng cắt được điện áp một chiều như: GTO, Tranzito lưỡng cực BJT, Tranzito MOSFET, IGBT. Với yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ chế tạo đó là: Dòng xung lối ra đạt 15A, tần số cực đại 1,5KHz thì ta lựa chọn MOSFET là phù hợp nhất: - MOSFET hoạt động được ở tần số cao (có thể tới 100KHz) - Dòng xung lối ra 15A, trong khi MOSFET có công suất này dễ dàng chọn lựa tại thị trường trong nước. - Một ưu điểm rất quan trọng của MOSFET là điện áp điều khiển có dòng rất nhỏ. Lợi thế này là hơn hẳn so với Tranzito BJT và GTO, mặc dù chúng có lợi điểm Giang Cao S¬n K46§C 37 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp hơn MOSFET đó là có điện trở dẫn rất nhỏ nhưng chúng lại cần dòng điều khiển lớn, do đó thiết kế phức tạp. Tuy nhiên giải pháp tốt nhất là sử dụng IGBT, bởi vì nó là linh kiện kết hợp được cả ưu điểm: - Điện trở khi dẫn nhỏ của Tranzito lưỡng cực BJT - Khả năng điều khiển bằng điện áp của MOSFET Nhưng với yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ chế tạo đó là dòng xung lối ra 15A thì việc sử dụng IGBT trở nên không cần thiết, hơn nữa rất khó tìm được IGBT ở thị trường Việt Nam. Với những lý do trên, ta lựa chọn phương án cuối cùng đó là lựa chọn MOSFET làm công suất lối ra là phù hợp với yêu cầu chế tạo và điều kiện cụ thể hiện nay. Đối với phần nguồn ổn áp để cấp cho phần công suất thì ta lựa chọn nguồn ổn áp theo nguyên tắc ổn áp kiểu bù dùng bộ khuyếch đại có điều khiển, vì đặc trưng của thiết bị này là dùng cho thí nghiệm mạ, do đó thiết bị thường được đặt trong môi trường có hoá chất, có độ ăn mòn cao. Còn nếu ta sử dụng nguồn ổn áp theo kiểu ổn áp xung thì dù có nhiều đặc trưng kỹ thuật ưu việt như: có dải làm việc cao hơn, hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn nhưng với môi trường làm việc của thiết bị này, độ bền và độ tin cậy của thiết bị sẽ không được đảm bảo. Giang Cao S¬n K46§C 38 §¹i häc C«ng nghÖ Kho¸ LuËn Tèt NghiÖp CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO NGUỒN XUNG LƯỠNG CỰC 2.1 THIẾT KẾT VÀ PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG SƠ ĐỒ KHỐI CHI TIẾT 2.1.1. Sơ đồ khối chi tiết Trên cơ sở nhiệm vụ chế tạo “ Nguồn xung lưỡng cực cho thí nghiệm công nghệ mạ mới” ta thiết kế sơ đồ khối chi tiết như hình vẽ 31. 2.1.2. Phân tích ngu