Thiết kế máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2

53.Tính mật độ từ cảm trong gông: Bg = Bt. = 1,49. = 1,49 (T). 54.Chọn chiều rộng cửa sổ: c = 2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2 ) + a22 = 2.(1,17 + 1+ 1 + 1,22) + 2 = 10,78 (cm). 55.Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục: c’ = c + d = 10,78 + 9,5 = 20,28 (cm). 56.Tính chiều rộng mạch từ: L = 2.c + 3.d = 2.10,78 + 3.9,5 = 50,06 (cm). 57.Tính chiều cao mạch từ: H = h + 2.a = 22 +2.7 = 36 (cm). Tính khối lượng sắt và đồng. 58.Thể tích của trụ: VT = 3. QT.h = 3.70.22 = 4620 (cm3) = 4,62 (dm3). 59. Thể tích của gông: Vg = 2. Qg.L = 2.70.50,06 = 7008,4 (cm3) = 7,01 (dm3). 60.Khối lượng của trụ: MT = VT.mFe = 4,62.7,85 = 36,27 (kg). 61.Khối lượng của gông: Mg = Vg.mFe = 7,01.7,85 = 55,03 (kg). 62.Khối lượng của sắt: MFe = MT + Mg = 36,27 + 55,03 = 91,3 (kg). 63.Thể tích của đồng: VCu = 3.( S1. l1 + S2. l2) = 3.(17,76..37,84.10 + 179,2. .5,25.10) = 4,84 (dm3). 64.Khối lượng đồng: MCu = VCu. mCu = 4,84.8,9 = 43,08 (kg). Tính các thông số của máy biến áp. 65.Điện trở trong của cuộn sơ cấp ở 750C R1 = = 0,02133. = 0,045 (). Trong đó: = 0,02133 (.mm2/m ). 66.Điện trở trong của cuộn thứ cấp: R2 = = 0,02133. = 0.0006 (). 67.Điện trở ngắn mạch máy biến áp quy đổi về sơ cấp: RBA = R1 + = 0,045 + = 0,099 (). 68.Điện kháng ngắn mạch máy biến áp quy đổi về sơ cấp : = 0,0015 (). 69.Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp: = = 4,78.10-6 (H) = 4,78.10-3 (mH). 70.Tổng trở ngắn mạch quy đổi về sơ cấp: = = 0,099 () 71.Dòng điện ngắn mạch xác lập : Trong đó : U20 - điện áp không tải thứ cấp U20 = 50 V Uhq - điện áp hồ quang, khi ngắn mạch Uhq = 0 V A Vậy 1,4.I2max = 490 < I2nm < 2.I2max = 700 A 3.4 Tính chọn van động lực - Tính chọn van động lực dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ dã chọn, kiều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.Các thông số cơ bản được tính như sau: - Điện áp lớn nhất mà van phải chịu: Unmax = knv.U2 = knv . = .36 = 37,7 (V). Trong đó: Unmax – điện áp làm việc lớn nhất mà van phải chịu knv , ku – hệ số điện áp ngược và điện áp tải phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu knv = ; ku= (Chỉnh lưu cầu 3 pha ). Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = kdtU.Unmax = 1,8.37,7 = 67,9 (V). Trong đó: kdtU – hệ số dự trữ điện áp; chọn kdtU = 1,8. Dòng điện làm việc của van, được tính theo dòng hiệu dụng. Ilv = Ihd = khd.Id = Id/= 202 (A). Trong đó: khd - hệ số dòng điện hiệu dụng, khd = 1/. Ilv , Ihd, Id – dòng điện làm việc, dòng hiệu dụng, và dòng điện tải. Id = 350 A (dòng điện tải cực đại) Chọn hệ số làm việc của van là có cánh tản nhiệt, có đủ diện tích tản nhiệt, có quạt đối lưu, do đó ta chọn dòng điện định mức cần chọn: Idm = ki. Ilv = 3,2.202 = 646,4 (A). Trong đó: ki = 3,2 – hệ số dự trữ dòng điện. Từ các thông số trên ( Um = 67,9 V; Idm = 646,4 A ) ta tra phụ lục 1 [1], ta chọn được: Diot NLA430A có các thông số sau: - Điện áp ngược cực đại của van: Unmax = 100 (V). - Dòng điện định mức của van: Iđm = 1000 (A). - Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax = 10000 (A). - Tụt áp hao điện ở trạng thái mở của Điôt: U = 1,42 (V). - Dòng điện thử cực đại: Ith = 3100 (A). - Dòng điện rò : Ir = 50 mA - Nhiệt độ cho phép: Tmax = 200 (A). Tra phụ lục bảng 2 [1], ta được thông số Tiristo NLF 395A như sau: - Điện áp ngược cực đại của van: Unmax = 100 (V). - Dòng điện làm việc cực đại của van: Iđm = 700 (A). - Dòng điện xung điều khiển : Ig = 200 (mA) - Điện áp xung điều khiển: Ug = 2,5 (V) - Dòng điện rò: Ir = 20 (mA) - Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax = 8000 (A). - Tụt hao điện áp ở trạng thái mở của Tiristo: U = 2,5 (V). - Thời gian chuyển mạch: tcm = 15 () - Nhiệt độ cho phép: Tmax = 125 (0C). Tính điện trở R làm tải giả - Điện trở R mắc song song với tải được gọi là tải giả có chức năng sau : + Tạo và duy trì dòng điện chạy trong mạch và dòng điện chạy qua các van lúc que hàn chưa chạm vào vật hàn. + Tạo điện áp không tải U0 (Điện áp mồi) ban đầu chính là điện áp rơi trên điện trở R để gây hồ quang. - Giá trị điện trở R được tính sao cho khi điện áp chỉnh lưu không tải nhỏ nhất U0min = 45 V thì dòng điện hiệu dụng của điôt phải lớn hơn dòng điện rò (Ir) của điôt. Theo thông số của điôt đã chọn Ir = 50 mA. - Dòng điện hiệu dụng qua tải giả : Id = Ir = .0,05 = 0,087 A - Điện trở R của tải giả được tính : A - Chọn điện trở R = 520 (W). - Vậy dòng điện nhỏ nhất qua van là : Ih = A = 51 mA vậy điôt thoả mãn điều kiện mở thông. - Tổn hao công suất cực đại trên điện trở của tải giả : DP = = 4,8 (W). Tổn hao này là nhỏ nên có thể chấp nhận được tính chọn thiết bị bảo vệ cho van bán dẫn - Khi làm việc có dòng điện chạy qua van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP = DU.Ilv. Tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn, mặt khác van chỉ được làm việc tới tối đa nhiệt độ cho phép Tcp = 125 0C. Nếu nhiệt độ làm việc của van bán dẫn lớn hơn nhiệt độ cho phép Tcp , van bán dẫn sẽ bị phá huỷ. Để đảm bảo van bán dẫn làm việc được an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt Tổn thất công suất trên một diod : DPD = DUD.Ilv Trong đó DUD : Sụt áp trên van khi mở = 1,42 V Ilv : Dòng điện làm việc hiệu dụng của van = 202 A DPD = 1,42.202 = 286,84 W + Diện tích bề mặt toả nhiệt cần thiết trên diod : = 0,80 m2 Trong đó : T : Độ chênh nhiệt của van so với nhiệt độ của môi trường, chọn nhiệt độ của môi trường Tmt = 40 0C. Vì nhiệt độ làm việc cực đại của van cho phép = 125 0C nên chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C. T = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40 0C Km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ chọn Km = 8 W/m20C - Chọn 16 cánh toả nhiệt có kích thước 15.15 cm - Tổng diện tích toả nhiệt của các cánh : S = 2.16.15.15 = 7200 cm2 = 0,72 m2 - Chọn bề dày mỗi cánh tản nhiệt = 2 mm, khoảng cách giữa hai cánh kề nhau là 4,5 mm. Hình 3.3 Bản vẽ cánh tản nhiệt. Chọn thiết bị bảo vệ quá dòng điện cho van Chọn cầu dao - Dùng cầu dao xoay chiều ba pha mắc ở phía sơ cấp của máy biến áp ngay sau nguồn lưới điện ba pha để đóng cắt khi không tải, tạo khe hở an toàn khi cần sửa chữa mạch lực. - Dòng điện định mức của cầu dao được chọn : Iđm = 1,15 I1đm = 1,15 ..47,24 = 94,1 (A). - Chọn cầu dao do hãng SIEMENS chế tạo có Iđm = 100 A, Uđm = 400 V, 3 cực có thể đóng cắt tự động hoặc bằng tay. b . Chọn Aptomát - Dùng Aptomat để đóng cắt mạch động lực khi có tải, tự động bảo vệ quá tải và ngắn mạch ở chế độ sự cố. - Dòng điện định mức của Aptomat được chọn : Iđm = 1,15 I1đm = 1,15 ..47,24 = 94,1 (A). - Chọn Aptomát có I1đm = 100 A, Uđm = 400 V, 3 cực do SIEMENS chế tạo. Bảo vệ quá điện áp cho van bán dẫn -Linh kiện bán dẫn nói chung và van bán dẫn công suất nói riêng rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là : + Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. + Xung điện áp do chuyển mạch van. + Xung điện áp từ lưới phía xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do các tải điện cảm lớn trên đường dây. + Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải. R2 R2 -Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt thường được dùng bằng các mạch R- C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch này mô tả trên hình dưới. Khi có sự cố chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp của van. Mạch R2- C2 mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van có thể tính được các thông số của R2 và C2, hoặc có thể chọn gần đúng R2 = (5 ¸ 30) W , C2 = (0,5 ¸ 4) mF. Chọn R2 = 10 W , C2 = 0,5 mF. - Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở của đường dây. Trị số R1 ,C1 phụ thuộc nhiều vào tải, thường chọn R1 = (5 ¸ 20) W, C1 = 4 mF. Chọn R1 = 10 W, C1 = 4 mF. Hình 3.4. Sơ đồ bảo vệ van do xung điện áp từ lưới điện - Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến đổi người ta thường mắc một mạch R – C ở đầu ra một bộ chỉnh lưu cầu ba pha phụ bằng các diod công suất nhỏ. Trị số tụ điện được chọn C3 = 10 mF, R3 = 470 W, R4 = 1,4 KW Hình 3.5. Mạch cầu ba pha bảo vệ do cắt biến áp non tải Với việc chọn các thiết bị bảo vệ như trên, ta có sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ: Hình 3.6. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG LỌC Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Do đó, sau bộ chỉnh lưu, người ta mắc thêm cuộn kháng để lọc dòng điện chập mạch, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo biểu thức: Trong đó: LL - trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết [Henry]; Id.đm - dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu [A]; Id.đm = 350 (A) w = 314 - tần số góc [1/s]; K = 1,2,3... - bội số sóng hài;với cầu 3 pha lấy giá trị K =1. m - số lần đập mạch trong một chu kỳ;với cầu 3 pha: m=6 Ud.max - biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu [V]; I1*% - trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép I1*% < 10%. I.đm=0,1.350 = 35 (A) chọn I1*% = 30 (A). Biên độ thanh phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udn.max có thể được xác định theo công thức . Trong đó: Ud0 - điện áp chỉnh lưu cực đại [V]; Ud0 = 36 V() amax - góc điều khiển van bán dẫn lớn nhất [rad./s]. amax = arcos(Udmin/U0) = arcos(16/50) = 710 = 11,7 (V) (H) = 4,18 (mH) Điện cảm cần thiết của cuộn kháng lọc L = LL – LBA = 4,18 – 4,78.10-3 = 4,18 (mH). * Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc Lk= 4,18 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng Im = 350 (A) Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1 I1m < 10% Iđm= 30 (A) Các bước tính toán: Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng . Zk = Xk = 2.p.f.m.Lk = 2.p.6.50.4,18.10-3 = 7,88 (W) Trong đó: f – tần số dòng điện; f = 50 Hz m – số lần đập mạch của sơ đồ chỉnh lưu; m = 6. Lk – điện cảm cuộn kháng lọc; Lk = 4,18 mH Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc . DU = Z . = 7,88. = 167 (V) Công suất của cuộn kháng lọc . S = DU. = 167 . = 3543 (VA) Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc . Q = kQ . = 17,18 (cm2) KQ là hệ số phụ thuộc phương thức là mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên kQ = 5 . Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn: Chọn Q = 20,25 (cm2) 5. Với tiết diện trụ Q =20,25 (cm2) Chọn loại thép 3405, tấm thép dày 0,35 mm a= 45 (mm); b= 45 (mm) 6. Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 1,6 T 7. Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Fk Fk= 4,44 . w . f.m. BT . Q Gần đúng ta có thể viết: Ek = DU = 167 (V) W= = 38,9 (vòng) Lấy w = 40 vòng 8. Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng Ik= =486,5 (A) 9. Tiết diện dây dẫn cuộn kháng: S1= = 149,7 (mm2) Với J – mật độ dòng điện; chọn j = 3,25 A/mm2 Chọn S1 theo tiêu chuẩn: 2S1 = 2.75,1= 150,2 (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B, kích thước dây: a1 x b1 = 4,75 x 16,0 (mm x mm) chọn dây 2 lớp kích thước 9,5 x 16 (mm x mm) Tính lại mật độ dòng: j = (A/mm2) 10. Chọn tỷ số lấp đầy: Klđ = 0,7 11. Tính kích thước mạch từ: Hình 3.7. Kết cấu mạch từ 12. Chia đều số vòng dây trên 3 đoạn mạch từ B, A, B: số vòng dây trên đoạn A là 12 vòng; đoạn B là 14 vòng 13. Chiều dài của đoạn mạch từ A là c = 12 x 9,5 + 2.45 + 20 = 224 mm Trong đó: 20 – chiều dày cách điện 45 – chiều rộng mạch từ 9,5 - chiều dài của một vòng dây 12 – số vòng dây Chiều cao của đoạn mạch từ B là h = 14 x 9,5 + 2.45 + 20 = 243 mm Trong đó: 20 – chiều dày cách điện 45 – chiều rộng mạch từ 9,5 - chiều dài của một vòng dây 14 – số vòng dây trên đoạn mạch B 14. Dây quấn trên đoạn A và B đều là một lớp dây. Chiều dài trung bình của một vòng dây là: 2 x (45 + 2.16) = 154 mm Trong đó: 16 – chiều cao của một lớp dây mà dây quấn được quấn quanh trụ 45 x 45 mm Chiều dài của cả cuộn dây: l = 154 x 40 = 6160 mm = 6,16 m 15. Thể tích sắt Ve = 2.(224 + 243 – 90) x 45.45 = 1526850 mm3 = 1,53 dm3 16. Khối lượng sắt Mfe = Vfe . mfe = 1,53.7,85 = 12,01 (kg) Trong đó mfe là khối lượng riêng của sắt mfe =7,85 (kg/dm3 ) 27. Thể tích của đồng VCu = S x l = 16.9,5.6160 = 936320 mm3 = 0,936 (dm3) 27. Khối lượng đồng: M cu = V cu . m cu = 0,936.8,9 = 8,33 (kg). Trong đó: mcu = 8,9 ( kg/dm3 ) CHƯƠNG 4: BỘ CHỈNH LƯU TRONG MÁY HÀN Như đã phân tích ở phần nguồn điện hàn trong chương 1, đối với hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ CO2 để cho hồ quang ổn định thì nguồn hàn phải là nguồn một chiều.. Muốn có điện một chiều thì có hai phương pháp, thứ nhất là dùng một hệ thống động cơ, máy phát một chiều. Hệ thống này thường có nhược điểm, cồng kềnh, tổn hao nhiều năng lượng, khi làm việc gây tiếng ồn lớn. Mặt khác, trong máy phát một chiều thường có hệ thống chổi than, cổ góp mau hỏng và đặc biệt sự đánh lửa ở cổ góp và chổi than làm cho hệ thống này không thể làm việc được ở những môi trường dễ gây cháy nổ. Vì thế mà hiện nay, hệ thống này hầu như không dùng trong thực tế sản xuất, thay thế vào đó người ta sử dụng một bộ chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn có nhiều tính năng ưu việt hơn như là : thiết bị gọn nhẹ, dễ tự động hoá và điều khiển, tổn hao nhỏ trong khi vận hành, tác động nhanh, ổn định dòng và áp được. Các bộ chỉnh lưu thực chất là các bộ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Các bộ chỉnh lưu thường có ký hiệu khối như hình vẽ dưới: Hình 4.1. Ký hiệu của bộ chỉnh lưu Các bộ chỉnh lưu thực chất là hệ thống van bán dẫn có cấu tạo đặc biệt được ghép với nhau theo một sơ đồ nhất định. Các van bán dẫn này này càng được ứng dụng rộng rãi. Sau đây tác giả đi vào hai van bán dẫn thông dụng và được ứng dụng rộng rãi nhất, đó là Điot và Tiristo. 4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Điot Điot là dụng cụ bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với bán dẫn P gọi là Anot(A), đầu nối với bán dẫn N gọi là Catot (C)[5]. Hình 4.2. Kí hiệu Điot trên sơ đồ điện Đặc tính Von - Ampe của điot biểu thị quan hệ I(U) giữa dòng điện qua điot và điện áp đặt vào 2 cực của điot như hình 4.3 dưới đây [5]: Hình 4.3. Đặc tính Von - Ampe của Điot Đặc tính Von - Ampe tĩnh của điot có 2 nhánh. Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận ( sơ đồ nối mạch ở góc I) thì dòng điện đi qua điot tăng theo điện áp. Khi có điện áp đặt vào điot một ngưỡng Un cỡ 0,1 0,5 V và chưa lớn lắm thì đường đặc tính có dạng parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2). Điện trở thuận của điot ở một thời điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo: Đó chính là nghịch đảo giá trị đạo hàm của đặc tính tại điểm tính điện trở. Nhánh ngược ứng với phân áp ngược (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc đầu, điện áp ngược tăng thì dòng điện ngược tăng(dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chem. (đoạn 3). Tới điện áp ngược V thì dòng điện ngược có giá trị nhỏ vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện áp ngược đủ lớn thì dòng điện tăng nhanh (đoạn khuỷu 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điot bị dánh thủng. Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là điện áp chọc thủng. Điot bị phá hỏng. Để đảm bảo an toàn cho điot, ta nên cho điot làm việc với điện áp ngược 0,8 Ung.max. Với Ung < 0,8Ung.max thì dòng điện rò qua điot nhỏ, không đáng kể và điot coi như ở trạng thái khoá. Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của điot đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành rất lớn. Từ đặc tính V.A của điot, có thể thấy điot (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc P-N ) chỉ cho dòng điện chạy qua từ Anot(A) sang Catot(C) khi phân áp thuận và không cho dòng điện từ Catot sang Anot khi phân áp ngược. Đặc tính của điot thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình bên). Đặc tính V.A của một điot lý tưởng là những đường thẳng (đường b hình 4.4) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, còn khi phân áp ngược RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược (hình 4.4). Đặc tính V.A của điot còn thay đổi theo nhiệt độ (hình 4.5). Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà điốt có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. Điot là một van bán dẫn. Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều. Hình 4.4. Đặc tính V-A của Điot thực và Điot lý tưởng Hình 4.5. Đặc tính V-A của Điot phụ thuộc nhiệt độ Khi nối một điot vào giữa một nguồn điện áp xoay chiều và phụ tải, điot sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ mà nguồn phân áp thuận, còn không dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược [5]. Sự chuyển đổi thông khoá của điot là không tức thời mà cần có một thời gian nhất định. toff - thời gian cần để cho điot chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá. ton - thời gian cần để điot chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông. Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì điot bình thường có thể không tạo được chế độ khoá. Các thông số định mức của Điot: Dòng điện trung bình Dòng điện hiệu dụng Dòng điện cực đại Khi tính chọn điot phải đảm bảo không vượt quá cả ba giá trị dòng điện này. 4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tiristo 4.2.1 Tiristo Tiristo là một dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn liên tiếp nhau P1 - N1 - P2 - N2 và tạo ra 3 lớp tiếp xúc liên tiếp JA, JM, JC như hình 4.6: Hình 4.6. Nguyên lý cấu tạo và ký hiệu của Tiristo Tiristo có 3 cực. Cực gắn với lớp P1 là Anot (A), cực gắn với lớp N2 là Catot (C), cực gắn với lớp P2 là cực điều khiển G(G – Trigger Gate) [5]. 4.2.2 Nguyên lý hoạt động Tuỳ theo cách nối Anot và Catot của tiristo với nguồn điện một chiều mà tiristo có thể được phân áp thuận hay ngược [5]. Khi phân áp ngược (anot nối với cực âm của nguồn, catot nối với cực dương của nguồn) như hình 4.7: Hình 4.7. Sơ đồ phân áp ngược một Tiristo Khi đó lớp tiếp xúc JM được phân cực thuận (điện trở rất nhỏ) nhưng các lớp tiếp xúc JA và JC lại phân cực ngược (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ C sang A. Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chạy qua và không có ánh sáng. Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ vài mA. Đặc tính Von - Ampe khi phân áp ngược là đoạn ON trên hình 4.8. Khi điện áp ngược tăng tới một trị số nào đó đủ lớn (Uct) thì tiristo bị đánh thủng giống trường hợp của điot và kết quả là dòng điện ngược tăng lên rất nhanh và mạnh. Khi phân áp thuận (anot nối với cực dương nguồn, catot nối với cực âm nguồn) thì lớp tiếp xúc JA và JC được phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nhưng lớp tiếp xúc JM lại bị phân cực ngược, có điện trở rất lớn. Do vậy, trường hợp này cũng có một dòng điện rò rất nhỏ chạy qua lớp JM. Tiristo khác điot ở chỗ: điot dẫn điện ngay khi phân áp thuận, còn tiristo thì phân áp thuận vẫn chưa dẫn điện. Muốn cho Tiristo dẫn điện khi phân áp thuận thì phải có điều kiện. Đó là phải cấp cho xung điện áp dương vào cực điều khiển G khi Tiristo được phân áp thuận. Xung dương điều khiển có thể được tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở sơ đồ dưới (4.10): Hình 4.8. Đặc tính Vôn-Ampe của Tiristo Hình 4.9. Sơ đồ phân áp thuận một Tiristo Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý điều khiển Tiristo Khi đó, lớp tiếp xúc JC được phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn Eg nên dòng điện qua lớp JC tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N2 chuyển dịch sang P2 với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng điều khiển IG, phần khác lớn hơn, vuợt qua lớp JM vào N1 rồi qua P1 về nguồn tạo ra dòng Ia. Khi các điện tử qua lớp JM với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên tử trung hoà trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do. Số điện tử mới lại bắn phá các nguyên tử trung hoà khác Cứ như thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số điện tử dẫn điện tăng vọt. Điểm làm việc chuyển từ T1 sang T2 rồi T. Tiristo ở trạng thái thông. Trị số của dòng điện Ia phụ thuộc vào trị số điện trở trong mạch phụ tải. Khi tiristo thông, điện trở trong RAC của nó rất nhỏ (cỡ vài phần chục hoặc phần trăm của 1) nên sụt áp không đáng kể (không quá 1V). Khi tiristo đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì tiristo vẫn thông. Nguyên do vì dòng Ia qua lớp JM sẽ tiếp tục làm điện trở lớp JM giảm thấp và duy trì sự dẫn điện qua lớp này thì N1 sang P2. Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông tiristo mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT1 trở thành OT1’, OT1’’thì cần phải tăng dòng điều khiển lên lớn hơn I’’đk1> I’đk1> Iđk1. Khi dòng điều khiển tăng tới giá trị cực đại cho phép Iđkmax (thường cỡ từ vài chục đến vài trăm mA, tuỳ loại tiristo) thì đoạn OT1, OT1’, OT1’’ trở thành OT2 nghĩa là đặc tính Von - Ampe của tiristo sẽ như đặc tính V-A của điot [5]. Ta có thể nhận xét: Đối với điot, nó sẽ thông ngay khi được phân áp thuận nếu điện áp Uth > Ungưỡng (Ungưỡng = 0,1 - 0,5 V). Đối với tiristo thì phân áp thuận chỉ là một điều kiện cần, tiristo chưa thông. Cùng với phân áp thuận còn phải có xung điều khiển đưa vào cực điều khiển G. Dòng điện điều khiển càng lớn, đặc tính Von-Ampe của tiristo càng giống như của điot. Do vậy, tiristo còn gọi là điot có điều khiển. Khi điot hoặc tiristo thông thì điện trở trong RAC của chúng rất nhỏ nên sụt áp trên chúng không đáng kể (vài phần V và không quá 1V). Cách làm tiristo thông như trên (có phân áp thuận và xung điều khiển) là cách làm thông thường và phổ biến trong các mạch điều khiển tiristo. Đó là phương pháp mở thông tiristo bằng dòng điều khiển. Ngoài ra, còn có một số phương pháp khác để mở thông tiristo như: Bằng điện áp thuận đủ lớn. Bằng tốc độ tăng trưởng điện áp thuận đủ lớn. Bằng nhiệt độ. Bằng ánh sáng. Cách khoá Tiristo Có hai cách khoá tiristo thường dùng: Khoá bằng phân áp ngược (khoá bằng điện áp). Khi tiristo đang dẫn dòng thì các lớp bán dẫn không còn trung hoà về điện nữa: trong lớp N có những lỗ trống từ lớp P chuyển dịch sang và trong lớp P có những điện tử từ lớp N chuyển dịch sang. Khi tiristo bị đặt điện áp ngược, các phần tử mang điện tích tự do trên sẽ chuyển dịch ngược lại, tạo nên một dòng điện ngược lớn ở các lớp tiếp xúc JA và JC với cường đọ vài chục Ampe hoặc lớn hơn. Dòng điện qua lớp JM lúc này là thuận. Sau một thời gian, các lớp JA và JC khôi phục lại tính chất của lớp tiếp xúc rồi cuối cùng là lớp JM. Dòng điện ngược trở về xấp xỉ 0, tiristo trở về trạng thái khoá. Thời gian khoá thường lớn hơn thời gian mở khoảng trên dưới mười lần. Khoá bằng cách giảm dòng điện anot (khoá bằng dòng điện) đang dẫn xuống dưới mức giá trị của dòng điện duy trì (cỡ vài chục mA). Khi tiristo được phân áp thuận, lớp JM có điện trở lớn làm dòng điện qua tiristo rất nhỏ. Khi có dòng điều khiển, tiristo thông được là do một số lượng lớn điện tử từ lớp N2 và các lỗ trống từ lớp P1 chuyển dịch tới lớp tiếp xúc JM làm giảm điện trở của lớp này và dòng điện qua tiristo từ cực A sang C tăng lên rất mạnh. Đó là trạng thái tiristo thông [5]. Nếu giảm dòng anot thì điện trở của lớp tiếp xúc JM sẽ tăng lên và khi giảm tới giá trị Ia đủ nhỏ (Ia<Idt) thì lớp tiếp xúc JM sẽ trở lại trạng thái không dẫn và tiristo bị khoá. Vậy, dòng điện duy trì Idt là dòng điện nhỏ nhất mà tiristo vẫn giữ được trạng thái thông khi không có dòng điều khiển. Dòng anôt giảm xuống dưới giá trị dòng duy trì thì tiristo bị khoá. Để giảm dòng anôt xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt thì có thể tăng điện trở mạch phụ tải lên rất lớn (như ngắn mạch) hoặc giảm điện áp thuận về 0 hay gần bằng 0. Ta có thể tóm tắt phương pháp thường dùng để thông và khoá một tiristo như sau: Tiristo thông khi được phân áp thuận và có dòng điều khiển(hay xung điều khiển do mạch điều khiển đưa tới); Tiristo khoá khi bị phân áp ngược hoặc bị giảm dòng anôt Ia xuống nhỏ hơn dòng duy trì Idt.Tiristo khóa nhờ mạch lực [5]. 4.2.3 Các tham số chính của Tiristo Với một tiristo cần quan tâm các thông số sau: Điện áp thuận cực đại (uth.max): điện áp thuận lớn nhất có thể đặt lâu dài lên tiristo mà tiristo vẫn giữ nguyên được trạng thái khoá. Điện áp ngược cực đại (ung.max): điện áp ngược lớn nhất có thể đặt lâu dài lên tiristo mà tiristo không bị đánh thủng. Dòng điện ngược tương ứng với điện áp này là 10 - 20 mA. Điện áp định mức (Uđm): điện áp cho phép đặt lâu dài lên tiristo ở cả chiều thuận và chiều ngược Uđm 2/3 uth.max Sụt áp định mức: điện áp rơi trên tiristo ở trạng thái thông với dòng định mức Sụt áp chuyển đổi: điện áp thuận nhỏ nhất làm tiristo chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông mà không cần dòng điều khiển. Dòng điện định mức (Iđm): dòng điện trung bình lớn nhất được phép qua tiristo mà không gây lên nhiệt quá mức cho phép. Các tiristo của Nga thường cho Iđm, còn các tiristo của Tây Âu thường cho: Ihdđm = 1,57Iđm Điện áp (UGmin) và dòng điều kh