ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Transcript

1 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHƯƠNG 05 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 5.1.TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG TRONG MẠCH TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN : Mạch từ của động cơ cảm ứng hay động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai thành phần: Stator : phần đứng yên không quay. Rotor: phần quay của động cơ. Khi cho dòng điện qua các bộ dây quấn trên stator để tạo thành hệ thống đường sức từ trường hay từ thông trong mạch từ. Hệ thống đường sức từ trường thỏa các qui luật sau dây: Đường sức từ trường luôn có hướng và khép kín trên mạch từ. Đường sức từ đi theo đường ngắn nhất có từ trở nhỏ nhất và tập trung mạnh nhất trong vật liệu dẫn từ. Một hệ thống đường sức từ khép kín được gọi là múi đường sức. Số múi đường sức bằng với số cực từ hình thành trong động cơ STATOR ROTOR CÖÏC TÖØ BAÉC TÖØ THOÂNG BÖÔÙC CÖÏC TÖØ NAM TÖØ THOÂNG ROTOR STATOR MOÂ HÌNH p = CÖÏC TÖØ NAM MOÂ HÌNH p = 4 BAÉC BAÉC NAM Số cực từ của động cơ (ký hiệu là p), luôn luôn là số chẳn. Các cực từ đối tính luôn luôn xếp liên tiếp xen kẻ nhau trong không gian của rotor và stator. Trong hình 5.1 trình bày phân bố đường sức từ trường dạng tổng quát.trên mạch từ của động cơvới các trường hợp p = cực và p = 4 cực. HÌNH 5.1: Phân bố đường sức từ trường trong mạch từ DAÂY QUAÁN STATOR CÖÏC TÖØ BAÉC TRUNG TÍNH HÌNH HOÏC TÖØ THOÂNG CÖÏC TÖØ NAM STATOR HÌNH 5.: Phân bố đường sức từ trường trong mạch từ startor động cơ p = cực.

2 154 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Trong hình 5., ta có thể hình dung rõ ràng hơn dạng đường sức từ trường (hay từ thông) qua mạch từ của mạch từ động cơ có p =. Từ thông tạo ra trong mạch từ là do các cuộn dây quấn trên stator khi cho dòng điện đi qua. Quan sát hệ thống đường sức hình thành trên mạch từ ta rút ra các nhận xét như sau: Tại mặt cực từ có đường sức đi hướng ra là mặt cực từ Bắc Tại mặt cực từ có đường sức đi hướng vào là mặt cực từ Nam. Đường sức từ trường tập trung mạnh nhất ngay giữa mặt cực từ. Đường thẳng nối liền tâm của các mặt cực từ (trong kết cấu p = ) gọi là trục cực từ. Đường thẳng vuông góc với trục cục từ gọi là đường trung tính hình học PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TRONG KHÔNG GIAN : Muốn hiểu rõ phân bố từ thông trong khỏang khe hở không khí giữa rotor và stator, ta có thể khai triển kết cấu trong hình 5. từ dạng không gian đưa về dạng khai triển trong mặt phằng xem hình 5.3. Theo điện từ học, tại những vị trí nào đường sức tập trung dầy đặc, mật độ đường sức từ trường phân bố tăng cao, từ cảm B có giá trị cao. Ngược lại tại các vị trí nào ĐƯỜNG SỨC TỪ TRƯỜNG PHÂN BỐ THƯA THỚT, từ cảm B có giá trị thấp. Tương tự, tại các vị trí không có đường sức từ đi qua, từ cảm có giá trị là B = 0. Tuy nhiên để phân biệt tính chất của các cực từ Bắc và Nam trên kết cấu mạch từ, ta có thể qui ước như sau : Tại cực Bắc qui ước giá trị B > 0. Tại cực Nam qui ước giá trị B < 0. DOØNG ÑIEÄN I QUA DAÂY QUAÁN STATOR CÖÏC TÖØ B C STATOR NAM + CÖÏC TÖØ BAÉC CÖÏC TÖØ NAM ÑÖÔØNG SÖÙC TÖØ THOÂNG ÑI TÖØ STATOR QUA ROTOR TREÂN MOÄT CAËP CÖÏC TÖØ Bm TRUÏC VÒ TRÍ KHOÂNG GIAN Bm BIEÅU DIEÃN TÖØ CAÛM (MAÄT ÑOÄ TÖØ THOÂNG) TREÂN MOÄT CAËP CÖÏC TÖØ HÌNH 5.3: Phân bố từ trườngmột cặp cực từ theo vị trí không gian, dạng khai triển trên mặt phẳng.

3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Trong hình 5.3, trình bày đồ thị (hay đường biểu diển) mô tả giá trị tức thởi của từ cảm B tại từng vị trí không gian trên một cặp cực từ. Tùy thuộc vào sự phân bố của hệ thống đường sức, giá trị B thay đổi theo từng vị trí. Trong thiết kế máy Bm B Khoûang môû roäng moät cöïc töø x.x B B.cos m HÌNH 5.4: Phân bố từ cảm dạng sin trong không gian x điện, người ta thường tính tóan độ rộng của mỗi bước cực theo khỏang hở không khí giữa rotor và stator để có được phân bố từ thông (hay từ cảm) theo dạng sin trong không gian. Biểu thức mô tả, phân bố từ cảm theo dạng sin trong không gian được trình bày theo quan hệ (5.1) với vị trí trục tọa độ chuẩn và phân bố từ cảm dạng sin trình bày theo hình 5.4..x B B.cos m Trong đó : B m : biên độ cực đại của từ cảm B. (5.1) : bước cực từ, hay khỏang mở rộng của một cực từ (tương ứng phạm vi góc điện 180 o theo vị trí không gian) x : là tọa độ của vị trí khảo sát trong không gian TỪ TRƯỜNG ĐẬP MẠCH : Theo nội dung đã phân tích trong mục 5.1.1,ta chú ý các trường hợp sau: Khi cấp dòng một chiều vào dây quấn stator, phân bố từ cảm tại khe hở không khí (giữa rotor và stator ) có dạng sin trong vị trí không gian tương ứng với độ lớn của giá trị dòng điện được cấp vqào dây quấn. Điều cần nhớ là: phân bố từ cảm trong không gian không phụ thuộc biến số thời gian t mà chỉ phụ thuộc vào biến số vị trí x. Khi cấp dòng điện xoay chiều hình sin vào dây quấn stator, giá trị dòng tức thời hình sin thay đổi theo từng thời điểm khảo sát (biên độ dòng điện biến thiên theo biến số thời gian). Phân bố từ cảm trong không gian có biên độ thay đổi theo từng thời điểm khảo sát, nhưng vẫn phải đảm bảo qui tắc phân bố sin theo vị trí không gian. Giả sử, biểu thức tức thời của dòng điện có dạng sau : i t I.sin t (5.) m Vì biên độ của từ cảm B cũng như từ thông tỉ lệ thuận với dòng điện i, nên biên độ B m trong (5.1) thay đổi theo thời gian t (phụ thuộc từng thời điểm khảo sát). Chúng ta có thể viết lại biểu thức phân bố từ cảm B theo vị trí và theo từng thời điểm khảo sát như trong (5.3)..x Bt,x B.sin m t.cos Tóm lại khi cấp dòng hình sin vào dây quấn stator, từ trường nhận được tại khe hở không khí là hàm theo hai biến số x (vị trí không gian) và t (biến số thời gian). Nói cách khác, phân bố từ cảm tại khe hở không khí có dạng sin trong không gian và biên độ biến thiện theo qui luật sin đối với thời gian. Từ trường phân bố theo qui luật trên được gọi là từ trường đập mạch. (5.3)

4 156 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Để hiểu rõ hơn tính chất và ý nghĩa hình học của từ trường đập mạch, chúng ta khảo sát hình 5.5, trong đó ta lần lượt thay đổi các thông số của quan hệ (5.3) theo từng thời điểm ; và vẽ dạng phân bố của từ cảm B theo vị trí không gian (theo biến x). Các thời điểm khảo sát được chọn trước và tính tóan như sau đây : TU CAM B VI TRI X HÌNH 5.5: Các đường biểu diển biên độ từ cảm B (phân bố từ trường) theo vị trí không gian, khi thời gian thay đổi. (Hình vẽ mô tả biến đổi của phân bố từ cảm khi thời gian t biến đổi ) Khi Khi t 0, t, 6. B B.sin m.cos (đường 1 hình 5.5).x B m.x B B.sin.cos.cos m 6 (đường hình 5.5). Khi t, 4.x B m.x B B.sin.cos.cos m 4 (đường 3 hình 5.5)..x B 3 m.x Khi t, B B.sin.cos.cos 3 m 3 (đường 4 hình 5.5)..x.x Khi t, B B.sin.cos B.cos m m (đường 5 hình 5.5). Khi t,.x B B.sin m.cos 0 (đường 1 hình 5.5). Khi t 3, 3.x.x B B.sin.cos B.cos m m (đường 6 hình 3.5).

5 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Khi khảo sát đường biểu diễn phân bố từ trường trong không gian tại nhiều thời điểm liên tiếp, chúng ta rút ra nhận xét sau: Tại các vị trí không gian có từ trường đạt biên độ cực đại, khi thời gian biến đổi biên độ của các vị trí này lúc nào cũng cực đại. Tương tự, tại các vị trí không gian từ trường đạt biên độ triệt tiêu, khi thời gian biến đổi biên độ ở các vị trí này lúc nào cũng triệt tiêu. Như vậy, từ trường đập mạch được xem tương đương với hiện tượng sóng dừng của tổng hợp sóng cơ học hay giao thoa sóng cơ. Các vị trí không gian tương ứng với biên độ từ cảm B = 0, tương ứng nút dao động của sóng dừng, các vị trí này được gọi là trung tính của cực từ. Các vị trí không gian tương ứng với biên độ từ cảm đạt cực đại, tương ứng bụng dao động của sóng dừng, các vị trí này đang ở ngay chính tâm các mặt các cực từ của động cơ. Tóm lại, trên stator động cơ, khi cho dòng điện xoay chiều đi qua dây quấn sẽ hình thành từ trường đập mạch trong khỏang hở không khí giữa rotor và stator. 5..CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG) : Động cơ không đồng bộ (hay cảm ứng) gồm có hai thành phần chính: STATOR: phần đứng yên của động cơ, được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ vành khăn. Các lá thép tạo thành stator, được dập các rảnh phân bố đều theo vòng tròn trong của stator. Trong các rảnh người ta lót cách điện trước khi lắp đặt các bộ dây quấn vào rãnh stator. Trong hình 5.6 trình bày kết cấu lỏi thép stator động cơ 3 pha công suất lớn đang được làm vệ sinh rảnh trước khi bố trí dây quấn. HÌNH 5.6: lỏi thép stator động cơ cảm ứng 3 pha( công suất lớn ) Hình 5.7 trình bày một mẫu stator đang được quấn dây và hình 5.8 trình bày bộ dây quấn hòan chỉnh. Với động cơ không đồng bộ 3 pha, trên stator bố trí 3 bộ dây quấn độc lập nhau tuân theo một số qui luật định trước để hình thành từ trường quay tròn tại khe hở không khí stator và rotor. ROTOR: là phần quay của động cơ. Với động cơ cảm ứng, rotor thường được chế tạo theo một trong hai dạng: rotor lồng sóc (hình 5.9 và 5.10) và rotor dây quấn (hình 5.11 và 5.1). Với yêu cầu vận hành bình thường, động cơ thường có dạng rotor lồng sóc, trong trường hợp cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ ta mới động cơ rotor dây quấn. Rotor lồng sóc gồm các thanh đồng hay nhôm, được đúc xuyên qua các rảnh của rotor, các thanh này được hàn nối tắt bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu rotor. HÌNH 5.7: Dây quấn stator

6 158 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 HÌNH 5.8: Dây quấn stator sau khi quấn hòan chỉnh. HÌNH 5.9: Rotor lồng sóc. Trên các vành ngắn mạch người ta thường đức thêm các cánh khuấy để trộn gió, giải nhiệt cho động cơ trong quá trình vận hành. Ngòai ra chúng ta có thể lợi dụng các cánh khuấy này để thêm các đối trọng cân bằng động cho rotor trong quá trình quay.

7 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG HÌNH 5.10: Rotor đang được gia công tiện láng bề mặt sau ghi ép trục vào rotor. HÌNH 5.11: Rotor dây quấn công suất lớn sau khi gia công quấn dây. Với rotor dây quấn, nguời ta quấn dây trên các rảnh rotor, dây quấn bao gồm 3 bộ dây 3 pha độc lập nhau (bố trí tương tự như dây quấn trên stator. Dây quấn trên rotor được đấu thành hình Y, tòan bộ 3 đầu dây ra của dây quấn rotor được nối đến 3 vành trượt bố trí trên trục của rotor. Khi vận hành động cơ, ta phải dùng 3 chổi than để nối tắt 3 vành trượt này với nhau, hay nối 3 vành trượt này đến 3 đầu của bộ biến trở đấu Y bố trí bên ngòai. HÌNH 5.1: Rotor dây quấn công suất nhỏ với vành trượt

8 160 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 HÌNH 5.13: cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc. 5.3.KHÁI NIỆM VỀ TỪ TRƯỜNG QUAY TRÒN: Để hình dung và hiểu được từ trường quay, xem hình 5.14; với thanh nam châm vĩnh cửu hình chữ U được đặt trên trục thằng đúng. Khi chú ý đến khoảng không gian giữa hai cực Bắc Nam của nam châm, chúng ta biểu diễn hướng của đường sức từ trường trong không gian này bằng vector cảm ứng từ B. Khi quay tròn đều thanh nam châm quanh trục, vector B cũng quay tròn đều cùng chiều quay và cùng tốc độ với trục quay. Hình ảnh của vector B quay tròn trong không gian cho ta hình tượng đơn giản của một từ trường quay tròn. HÌNH 5.14: Hình ảnh từ trường quay tròn khi quay thanh nam châm vĩnh cửu quanh trục đứng. Muốn hình thành từ trường quay tròn trong động cơ không đồng bộ ba pha, ta cần các điều kiện sau : Trên stator bố trí 3 bộ dây quấn độc lập. Ba bộ dây được lắp đặt lệch vị trí không gian từng đôi 10 o Cấp các dòng điện xoay chiều lệch pha thời gian từng đôi 10 o vào 3 bộ dây Điều kiện bố trí lệch vị trí không gian của các bộ dây quấn được thực hiện trong quá trình chế tạo, khi quấn dây stator. Với ba bộ dây quấn được chế tạo giống hệt nhau về số liệu, ta xem ba bộ dây là tải 3 pha cân bằng. Muốn tạo dòng điện hình sin lệch pha thời gian từng đôi 10 o qua ba bộ dây, chúng ta chỉ cần đấu 3 bộ dây theo dạng hình Y hay ; sau đó cấp nguồn ba pha vào hệ thống dây quấn sau khi đã được đấu nối.

9 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Áp dụng kết quả vừa khảo sát trong mục 5.; ta có nhận xét như sau: Từ trường tạo bởi mỗi pha dây quấn là từ trường đập mạch. Do vị trí bố trí trong không gian và dòng điện qua các bộ dây lệch pha thời gian với nhau, tại thời điểm khảo sát bất kỳ nếu từ trường tạo bởi một trong ba bộ dây có giá trị cực đại, thì các từ trường hình thành trong hai bộ dây còn lại không đạt giá trị cực đại. Từ trường tổng hợp từ ba từ trường đập mạch (tạo bởi ba bộ dây quấn) là từ trường quay tròn. Chúng ta khảo sát từ trường tổng hợp theo một trong hai phương pháp sau: PHƯƠNG PHÁP 1: áp dụng phương pháp tóan học tổng hợp các từ trường đập mạch để tìm ra biểu thức cho từ trường tổng hợp, và chứng minh từ trường tổng có dạng quay tròn. Sau đó vẽ dạng từ trường tổng hợp khi thời gian thay đổi. PHƯƠNG PHÁP : áp dụng phương pháp tổng hợp vector xác định từ trường tổng tại các thời điểm liên tiếp PHƯƠNG PHÁP 1 : (ÁP DỤNG GIẢI TÍCH KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG QUAY) Trong hình 5.15 ba bộ dây stator lệch vị trí không gian 10 0 ; các bộ dây được đấu Y và cấp nguồn áp ba pha thứ tự thuận và dây quấn. Với hệ thống nguồn ba pha thứ tự thuận các biểu thức tức thời của dòng điện qua mỗi bộ dây quấn là : A B C i t I.sin( t) m i t I.sin( t 10 ) m i t I.sin( t 40 ) m O O (5.4) Chọn trục vị trí không gian chuẩn là trục của bộ dây AX, từ trường đập mạch tạo nên do bộ dây này khi có dòng i A đi qua là:.x B t,x A B.sin m t.cos (5.5) HÌNH 5.15 Đối với bộ dây BY,do bố trí lệch không gian so với bộ dây AX một góc là 10 o, đồng thời cho dòng điện i B đi qua, từ trường đập mạch có dạng sau: o m.x o B t,x B.sin t.cos B (5.6) Xét tương tự cho bộ dây CZ, ta nhận được từ trường đập mạch do bộ dây này tạo ra ( khi cho dòng i C đi qua): o.x o B t,x C B.sin m t.cos (5.7) Gọi B là từ trường tổng hợp từ các từ trường đập mạch thành phần : B t,x B t,x B t,x B t,x (5.8) A B C Muốn xác định biểu thức giải tích của B ta áp dụng công thức biến đổi lượng giác cơ bản 1 sinp.cosq sin(p q) sin(p q) để biến đổi các quan hệ (5.5); (5.6) và (5.7) rồi tổng hợp.

10 16 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Ta có kết quả sau: 1.x.x BAt,x.B sin( t ) sin( t ) m (5.9) 1.x o.x BBt,x.B sin( t ) sin( t ) m 40 (5.10) 1.x o.x BCt,x.B sin( t ) sin( t ) m 480 (5.11) Cần chú ý tính chất sau:.x.x o.x o sint sint sint (5.1) Phối hợp (5.9); (5.10) và (5.11) suy ra biểu thức giải tích của từ trường tổng hợp, ta có: 3.B m.x Bt,x.sint (5.13) g t 0 t 6 t 4 t 3 t Vi tri HIǸH 5.16: Đồ thị mô tả từ trường hình sin đang chuyển động x Muốn nhìn thấy được từ trường tổng B(t,x) là từ trường quay tròn trong không gian, ta chọn trước thời điểm t rồi vẽ quan hệ B theo vị trí x ; thực hiện lập lại với nhiều thời điểm liên tiếp nhau, ta sẽ thấy được đường sin của từ trường di chuyển theo phương của vị trí x. Các thời điểm được chọn lựa để vẽ đường phân bố từ trường tổng như sau: t 0 ; 3.B m.x B sin 3.B m.x t ; B sin B m.x t ; B sin 3.B m.x t ; B sin B m.x t ; B sin 3 3 Trong hình 5.16 trình bày dạng của từ trường tổng di chuyển theo không gian khi vẽ tại các thời điểm liên tiếp nhau. trục hòanh biểu diển vị trí không gian tại khe hở không khí giữa stator và rotor động cơ.

11 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Ta rút ra nhận xét sau: Từ trường tổng phân bố theo dạng sin trong không gian. Khi thời gian thay đổi, từ trường sin này di chuyển theo hướng trục x (trên hình vẻ di chuyển từ trái sang phải). Tóm lại, từ trường tổng di chuyển trong không gian theo hướng trục vị trí x. Nếu trục vị trí được uốn cong thành hình tròn (theo không gian của khe hở không khí thực sư giữa rotor và stator) từ trường này sẽ di chuyển dọc theo chu vi trong của stator. Chuyển động này chứng tỏ từ trường tổng hợp là dạng từ trường quay tròn bên trong động cơ. TÓM LẠI : Trong stator động cơ 3 pha, khi lắp đặt 3 bộ dây quấn độc lập thỏa các qui tắc: lệch vị trí không gian 10 o, và dòng điện qua các bộ dây này lệch pha thời gian 10 o ; ta có kết luận như sau: Từ trường tạo bởi mỗi bộ dây là dạng từ trường đập mạch. Từ trường tổng tạo bởi 3 từ trường đập mạch thành phần (từ 3 bộ dây quấn) là từ trường quay tròn. Biên độ từ trường tổng bằng 3 lần biên độ của từ trường thành phần 5.3. PHƯƠNG PHÁP : (TỔNG HỢP VECTOR) t 1 t t 3 t t 4 t HIǸH 5.17: Đồ thị dòng tức thời của nguồn 3 pha theo thời gian. Muốn khảo sát sự hình thành từ trường quay; dựa vào giá trị tức thời của dòng 3 pha qua 3 bộ dây quấn, suy ra các vector từ trường B tạo bởi mỗi bộ dây tại từng thời điểm ; sau cùng tổng hợp các vector từ trường B thành phần để có được vector từ trường tổng tạo tại thời điểm khảo sát. Thực hiện lại phương pháp trên tại vài thời điểm liên tiếp; ta có thể thấy được hình ảnh từ trường tổng là từ trường quay. Trên hình 5.17, ta có đồ thị biểu diễn các dòng 3 pha tức thời qua dây quấn, chúng ta khảo sát giá trị tức thời của các dòng điện i A, i B, i C tại 6 thời điểm; ta có bảng giá trị sau: t /6 / 5/6 7/6 3/ 11/6 i A 0,5 I m I m 0,5 I m -0,5 I m - I m -0,5 I m i B - I m -0,5 I m 0,5 I m I m 0,5 I m -0,5 I m i C 0,5 I m -0,5 I m - I m -0,5 I m 0,5 I m I m Các giá trị từ trường đập mạch (tạo ra do các bộ dây) tỉ lệ thuận với giá trị dòng điện qua dây quấn, dựa vào bảng giá trị tức thời của dòng điện 3 pha ta có thể biểu diễn các vector từ cảm (đặc trưng cho từ trường) tạo ra tại từng thời điểm. Áp dụng phép tổng hợp vector suy ra vector từ trường tổng, xem hình 5.18 và 5.19 sau đây:

12 164 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 A A i A = 0,5 I m BA BC C B TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG i C = 0,5 I m C BC BB B i B = - I m BA BB B TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC t 6 A A BA i A = I m BC BB BC BB C B C i C = - 0,5.I m B i B = - 0,5.I m BA TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC t B A A i A = 0.5I m BA C TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG B C BC i C = - I m TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC BB i B = 0,5.I m B 5 t 6 B BC BB BA HIǸH 5.18: Khảo sát từ trường quay tại các thời điểm: t 6, t 36, t 5 6

13 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG A A i A = - 0,5 I m BA C B i C = - 0,5 I m C BC BB B i B = I m B BB BA TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC t 7 6 BC TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG A i A = -I m B A BC BA BB BA C B C B BB BC i C = 0,5.I m i B = 0,5.I m TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC t 3 A TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG A BA i A = - 0,5I m BC BB i B = - 0,5.I m B C B C i C = I m B BA BC TÖØ TRÖÔØNG TOÅNG TAÏI LUÙC t 11 6 BB HIǸH 5.19: Khảo sát từ trường quay tại các thời điểm: t 76, t 96, t 11 6

14 166 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY : VẬN TỐC CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY : Vận tốc của từ trường quay được ký hiệu là n 1 hay n db, còn đươc gọi là vận tốc đồng bộ. Vận tốc này phụ thuộc : Tần số f của nguồn điện cấp vào dây quấn stator. Số đôi cực (p) của động cơ. Với các phương pháp trình bày trong các mục và 5.3. về phương thức hình thành từ trường quay chúng ta rút ra các nhận xét như sau đối với máy điện chỉ có p = cực: Với các dòng sin 3 pha cấp vào các bộ dây quấn theo (5.4), giá trị trong các biểu thức của các dòng điện là tần số góc. Giá trị này quan hệ với tần số nguồn điện theo quan hệ:.f (5.14) Với biểu thức (5.13) cho thấy từ cảm tổng hợp B là hàm điều hòa theo thời gian t, như vậy vector đặc trưng cho từ cảm tổng hợp là vector phase quay nhận giá trị làm vận tốc góc. Như vậy giá trị này có quan hệ với vận tốc từ từ trường n 1 theo quan hệ sau:.n 1 (5.15) Từ (5.14) và (5.15) ta suy ra với máy điện có p = cực quan hệ giữa tần số nguồn điện cung cấp với số cực p thỏa quan hệ sau: f n 1 (5.16) Nói theo cách khác, khi dòng điện sin hoàn tất một chu kỳ thì từ trường quay đã quét qua đúng một khoảng bằng cực từ của máy điện. Từ đó suy ra với máy có p = 4 cực, muốn từ trường quay quét qua trọn vẹn không gian tương ứng với 4 cực ta cần chu kỳ của dòng điện hình sin cấp từ nguồn. Một cách tổng quát với máy điện có p cực quan hệ giữa tần số nguồn điện với vận tốc từ trường quay thỏa quan hệ sau: f p.n (5.17) 1 Trong đó, p là số đôi cực từ; f Hz và voøng n. Nếu đổi đơn vị đo của vận tốc 1 s voøng n ta ghi lại như sau: 1 phuùt p.n f CHIỀU QUAY CỦA TỪ TRƯỜNG : (5.18) Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện cấp vào dây quấn stator. Khảo sát trên hình 5.18 và 5.19 ta rút ra nhận xét sau: Hướng của vector từ trường tổng B luôn luôn cùng hướng với vector từ trường tạo bởi bộ dây quấn nào đang cho dòng điện có giá trị cực đại (+ I m ) hay giá trị cực tiểu (I m ) qua nó. Trong hình 5.18 đi dọc theo chu vi của stator ; các dòng điện qua các bộ dây có biên độ cực đại (+ I m ) lần lượt theo thứ tự A,B,C ; chiều của từ trường quay hình thành quét qua các bộ dây theo thứ tự tương ứng A, B, C. Khi hóan vị hai trong ba pha nguồn cấp vào dây quấn stator, thứ tự của hệ thống thay đổi, nên chiều quay của từ trường sẽ đảo hướng ngược lại.

15 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ : CÁC ĐỊNH LUẬT ĐIỆN TỪ ÁP DỤNG KHI KHẢO SÁT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Nguyên tắc họat động của động cơ không đồng bộ được giải thích dựa trên các định luật điện từ học cơ bản sau đây: Định luật cảm ứng điện từ khảo sát hiện tượng hình thành sức điện động trong thanh dẫn di chuyển cắt đường sức từ trường. Định luật Laplace khảo sát lực điện từ tác động lên thanh dẫn đang mang dòng điện và đặt trong từ trường. G ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ: l t1 = 0 t = dt B Höôùng cuûa doøng ñieän caûm öùng qua maïch v ds HIǸH 5.0: Sức điện động hình thành khi di chuyển thanh dẫn trong từ trường Trong hình 5.0, bố trí hai thanh dẫn song song nhau, cách nhau khỏang cách là. Đặt thanh dẫn thứ ba vuông góc với hai thanh dẫn trên. Tòan bộ hệ thống thanh dẫn được đặt trong từ trường đều, các đường sức từ có hướng vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các thanh dẫn. Tác động bằng ngọai lực để kéo thanh dẫn thứ ba này di chuyển thằng đều với vận tốc là v. Giả sử tại thời điểm ban đầu t 1 = 0 từ thông xuyên qua diện tích giới hạn bởi các thanh dẫn là 1 ; sau khỏang khỏang thời gian dt, tại thời điểm t = dt, thanh dẫn di chuyễn đến vị trí khác. Tại đây ta có từ thông xuyên qua tiết diện mới là. Áp dụng công thức Faraday, sức điện động cảm ứng trên thanh dẫn đi động thỏa quan hệ: d B. S S 1 1 e (5.19) dt dt dt B.dS dx e B.l B.l.v dt dt I dx B B v e e B e e v - e (5.0) Dấu (-) trong biểu thức (5.0) thể hiện tính đối kháng của sức điện động sinh ra; khi vận tốc dài làm tăng từ thông xuyên qua tiết diện, sức điện động hình thành có khuynh hướng làm giảm từ thông xuyên qua tiết diện. + e B HIǸH 5.1: Qui tắc bàn tay trái định hướng sức điện động e. Hướng của sức điện động e sinh ra phụ thuộc vào hướng củab và vận tốc v, để xác định hướng của e ta áp dụng qui tắc sau: ( v, B, e ) tạo thành tam diện thuận (hình 5.0) hoặc dùng qui tắc bàn tay trái, xem hình 5.1. Với qui ước này xem thanh dẫn tuơng đương với nguồn áp e hình thành trong thanh dẫn với dấu (+) ở vị trí ngọn vector e và dấu () ở vị trí gốc vector e (xem hình 5.0). Một cách khác có thể xem hướng của e hình thành trong thanh dẫn chính là hướng của dòng cảm ứng đi qua thanh dẫn (khi mạch ở trạng thái kín).

16 168 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐỊNH LUẬT VỀ LỰC ĐIỆN TỪ : Trong hình 5. trình bày một thanh dẫn thẳng mang dòng điện i và được đặt trong từ trường B; theo định luật Laplace thanh dẫn chịu tác dụng của lực điện từ F. Trong trường hợp tổng quát, phương của dòng điện i và phương của B hợp nhau một góc có giá trị là, lực điện từ F được xác định theo quan hệ sau: F B.I.L. sin (5.1) Trong đó L là bề dài của thanh dẫn đang mang dòng điện I. Khi phương của dòng điện I và phương của vector từ cảm B hợp nhau góc 90 0 ; lực điện từ xác định theo quan hệ sau: F B.I.L (5.) Hướng của lực điện từ F được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 5.) NGUYÊN TẮC HỌAT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG : B ROTOR ñöng yeân Chieàu quay cuûa töø tröôøng B ROTOR quay HIǸH 5.3: Áp dụng chuyển động tương đối giải thích nguyên lý họat động của động cơ không đồng bộ. F v e + e B B v TÖØ TRÖÔØNG ÑÖÙNG YEÂN F B ROTOR QUAY Töø tröôøng ñöùng yeân HIǸH 5.4: Sức điện động sinh ra trong thanh dẫn rotor. Trong hình 5.3, trình bày mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ. Giả sử dây quấn trên stator tạo ra từ trường quay tròn (vector từ cảm tổng B quay tròn trong không gian với vận tốc n 1 ). Dây quấn rotor nối tắt được mô tả đơn giản như là khung dây kín, trong hình 5. khung dây được biểu diễn bằng các mặt cắt của hai thanh dẫn tạo thành khung dây.từ trường quay tạo bởi dây quấn stator chuyển động và quét lên các thanh dẫn của rotor ; áp dụng chuyển động tương đối trong cơ học ta có thể xem: trạng thái thanh dẫn rotor đứng yên và từ trường quay tròn (giả sử theo chiều kim đồng hồ); tương đương với trạng thái từ trường đứng yên và thanh dẫn rotor quay tương đối theo chiều ngược lại (chiều quay tương đối của thanh dẫn rotor là chiều ngược kim đồng hồ). Tóm lại khi khảo sát theo chuyển động tương đối, thanh dẫn rotor quay tròn và cắt đường sức từ trường, trên thanh dẫn hình thành sức điện động cảm ứng e. Tốc độ quay tương đối của thanh dẫn bằng tốc độ của từ trường quay là n 1. Vì rotor ngắn mạch nên sức điện động e sẽ tạo ra dòng cảm ứng i trong các thanh dẫn. Giả sử trên rotor chỉ có hai thanh dẫn, hướng của dòng cảm ứng sinh ra trên mỗi thanh dẫn trình bày trong hình 5.4. F I B B F HIǸH 5.: Qui tắc bàn tay trái định hướng lực điện từ. I

17 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Khi các thanh dẫn rotor có dòng cảm ứng đi qua và các thanh dẫn này đặt trong từ trường B, các thanh dẫn sẽ chịu tác động của lực điện từ F. Hướng của lực điện từ tác động lên các thanh dẫn xác định theo qui tắc bàn tay trái. Các lực điện từ tác động lên các thành dẫn hình thành ngẩu lực làm rotor quay theo hướng ngược với hướng chuyển động tương đối của các thanh dẫn trên rotor, nói khác đi chiều quay rotor cùng chiều với chiều của từ trường quay. Nên nhớ vận tốc của rotor không thể đạt bằng vận tốc của từ trường; vì nếu hai tốc độ quay bằng nhau lúc đó thanh dẫn rotor và từ trường xem như đứng yên khi so tương đối với nhau. Tóm lại, vận tốc của rotor luôn luôn nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay. Ta có định nghĩa cho độ trượt s là vận tốc chênh lệch tương đối giữa vận tốc rotor so với vận tốc của từ trường quay. Gọi : n 1 : vận tốc của từ trường quay ( hay tốc độ đồng bộ). n : vận tốc của rotor. s : độ trượt của động cơ. Trong đó ta định nghĩa độ trượt bằng quan hệ sau: Hay THÍ DỤ 5.1: n n n 1 s 1 (5.3) n n 1 1 n n.( s) 1 1 (5.4) Động cơ không đồng bộ ba pha p = 4 cực, được cấp nguồn xoay chiều 3 pha có tần số là f = 50Hz. Bảng lý lịch của động cơ có ghi tốc độ định mức là 145 vòng/phút. Xác định : a./ Tốc độ của từ trường quay. b./ Độ trượt của động cơ tại tải định mức. GIẢI TỐC ĐỘ CỦA TỪ TRƯỜNG QUAY: Áp dụng công thức (3.15) ta suy ra tốc độ đồng bộ hay tốc độ từ trường quay: 60.f n 1500 [voøng/phuùt] 1 p ĐỘ TRƯỢT CỦA ĐỘNG CƠ: Vận tốc của từ trường quay : n 1 = 1500 vòng/phút. Vận tốc của rotor tại lúc tải định mức : n = 145 vòng/phút. Độ trượt s của động cơ : n n n s 1 1 0, 05 n n CÁC PHƯƠNG TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở STATOR: Với ba bộ dây quấn stator được chế tạo cùng số liệu và hoàn toàn giống nhau, ta nói dây quấn ba pha cân bằng. Dây quấn stator có thể đấu theo dạng Y hay tùy theo áp hiệu dụng định mức cho phép đặt ngang qua hai đầu mỗi pha dây quấn. Khi cấp nguồn áp 3 pha cân bằng vào dây quấn stator, mạch điện stator là mạch 3 pha cân bằng, do đó ta chỉ khảo sát trên 1 pha tương đương. Gọi : V 1 : Áp pha hiệu dụng cấp vào mỗi pha dây quấn phía stator. f 1 : tần số nguồn điện cấp vào dây quấn stator.

18 170 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Tương tự như máy biến áp, dây quấn stator xem là dây quấn sơ cấp, khi cấp dòng hình sin qua dây quấn stator mỗi pha dây quấn tạo thành từ thông đập mạch với biên độ là. m Từ thông này biến thiên theo thời gian nên hình thành các sức điện động cảm ứng trên mỗi pha dây quấn. Sức điện động cảm ứng hiệu dụng trên mỗi pha dây quấn xác định theo quan hệ sau: E 444,.f.N.K. (5.5) dq1 m Trong đó : N 1 : tổng số vòng một pha dây quấn stator. K dq1 : hệ số dây quấn một pha stator, tính đến sự phân bố dây quấn trên một cặp cực từ Töø thoâng chính Töø thoâng taûn raõnh stator Töø thoâng taûn taïp stator STATOR ROTOR Töø thoâng taûn raõnh rotor Töø thoâng taûn taïp rotor HIǸH 5.5: Phân bố từ thông tản trong rãnh stator và rotor Trên dây quấn stator, chúng ta cần để ý đến các thành phần : Điện trở nội R 1 của mỗi pha dây quấn. Thành phần điện kháng tản từ đặc trưng cho từ thông tản ( thành phần từ thông tạo nên do dây quấn stator, khép kín mạch trên dây quấn stator nhưng không móc vòng qua rotor). Các thành phần từ thông tản trong máy điện quay gồm có từ thông tản trong rãnh và từ thông tản tạp (hình 5.5). Gọi x t1 là thành phần điện kháng tản từ mỗi pha dây quấn stator. Phương trình cân bằng áp viết cho một pha dây quấn phía stator được viết như sau: V E (R j.x ).I t1 1 (5.6) Phương trình này đúng cho trường hợp động cơ vận hành ở chế độ không tải cũng như khi động cơ mang tải. Khi tải trên trục động cơ thay đổi, dòng điện I 1 thay đổi giá trị tương ứng PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở ROTOR: Khi khảo sát phương trình cân bằng áp phía rotor, ta chia ra các trường hợp sau : Trường hợp rotor đứng yên không quay. Trường hợp rotor quay. Trong mỗi trường hợp điều quan trọng cần chú ý: sự thay đổi f : tần số dòng điện rotor và các thông số mạch phía rotor PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP ROTOR (LÚC ROTOR ĐỨNG YÊN): Khi rotor đứng yên, từ trường quay quét qua dây quấn rotor hình thành sức điện động cảm ứng E trên mỗi pha dây quấn rotor. Sức điện động rotor này cùng tần số với sức điện động phía stator: E 444,.f.N.K. (Rotor ñöùng yeân) (5.7) dq m f f (Rotor ñöùng yeân) 1 (5.8) N : tổng số vòng một pha dây quấn rotor. K dq : hệ số dây quấn của một pha rotor..

19 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Vì rotor thuộc dạng ngắn mạch, phương trình cân bằng áp mỗi pha phía rotor lúc đứng yên có dạng sau: E (R j.x ). I t (Rotor ñöùng yeân) (5.9) Trong đó: R : điện trở nội của mỗi pha dây quấn rotor X t : điện kháng tản từ mỗi pha phía rotor PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP Ở ROTOR ( LÚC ROTOR QUAY): Khi rotor quay với tốc độ quay là n trong khi từ trường quay có tốc độ là n 1 > n, tốc độ quay tương đối giữa từ trường quay và rotor là sn 1 = (n 1 n ). Vì tần số dòng điện phía rotor tỉ lệ thuận với tốc độ quét của từ trường quay lên thanh dẫn rotor,ta có nhận xét như sau TRẠNG THÁI TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY SO VỚI ROTOR TẦN SỐ ROTOR Rotor đứng yên n 1 f = f 1 Rotor quay s.n 1 f Tần số phía rotor lúc đang quay được xác định như sau: Tóm lại : f s.n.f 1 1 s.f 1 n1 f s.f (Khi rotor ñang quay) 1 (5.30) Khi tải trên trục động cơ thay đổi làm thay đổi tốc độ quay của động cơ, do đó tần số phía rotor luôn thay đổi theo tốc độ quay của rotor. Các phần tử mạch phía rotor có liên quan đến tần số đều thay đổi. Điện kháng tản từ, sức điện động cảm ứng phía rotor thay đổi theo giá trị tần số f khi rotor thay đổi tốc độ quay. Gọi : E s : sức điện động phía rotor (khi rotor quay). X ts : điện kháng tản từ phía rotor lúc rotor đang quay. TRẠNG THÁI SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG ROTOR ĐIỆN KHÁNG TẢN TỪ ROTOR Rotor đứng yên E 444,.f.N.k. 1 dq m Rotor quay E 444,.f.N.k. S dq m Suy ra: E f s.f s 1 s E f f 1 1 X.f.L t 1 t X.f.L ts t E Tương tự ta suy ra : s.e s (5.31) X.f.L s.f ts t 1 s X.f.L f t 1 t 1 X s.x ts t (5.3)

20 17 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 THÍ DỤ 5.: Phương trình cân bằng áp phía rotor (khi rotor đang quay): E (R j.x ).I (Rotor ñang quay, taàn soá f ) s t s (5.33) Với động cơ trong thí dụ 5.1, xác định tần số phía rotor khi động cơ đang tải định mức. GIẢI Với hệ số trượt của động cơ tại lúc mang tải định mức là s = 0,05 ; áp dụng quan hệ (5.30) suy ra tần số phía rotor lúc tải định mức là f s.f (Khi rotor ñang quay) 1 f 005, 50 5, Hz PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DÒNG ĐIỆN : TỐC ĐỘ TỪ TRƯỜNG QUAY STATOR VÀ TỪ TRƯỜNG QUAY ROTOR KHI ĐỘNG CƠ QUAY: Khi bố trí trên stator dây quấn ba pha và cấp dòng điện 3 pha có tần số f 1 vào dây quấn, 60f 1 từ trường quay có tốc độ quay là n. Dưới tác dụng của từ trường quay, rotor quay 1 p theo cùng chiều với từ trường quay, tốc độ quay của rotor là n = n 1 (1s ) ; tần số dòng điện trong rotor là f s.f 1. Với động cơ rotor lồng sóc (dạng rotor có dây quấn nhiều pha) ; khi có dòng cảm ứng qua dây quấn rotor, trên rotor cũng hình thành từ trường quay tròn với vận tốc quay là n r. Vận tốc của từ trường quay tạo bởi rotor tỉ lệ thuận với tần số rotor và tỉ lệ nghịch với số đôi cực tạo bởi dây quấn trên rotor. Áp dụng quan hệ (3.15) ta suy ra tốc độ quay của từ trường quay hình thành trên rotor. 60.f 60.s.f 60f 1 1 n s. r p p p (5.34) n s.n r 1 Khi rotor đang quay vói vận tốc là n và mang theo từ trường quay tạo bởi rotor có vận tốc là n r này, suy ra vận tốc của từ trường quay tạo bởi dây quấn rotor so tương đối với tốc độ từ trường quay tạo bởi dây quấn stator là (n + n r ). Suy ra: Tóm lại : n n n.( 1 s) s.n n n n r 1 1 r 1 (5.35) Vận tốc của từ trường quay (tạo bởi dây quấn stator) và tốc độ của từ trường quay (tạo bởi dây quấn rotor) bằng nhau PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DÒNG (KHI ĐỘNG CƠ ĐANG QUAY): Lý luận tương tự như khi khảo sát nguyên lý của máy biến áp; từ trường (hay từ thông) quay stator được tạo bởi sức từ động stator khi có dòng 3 pha qua các pha dây quấn stator.khi rotor mang tải, dòng điện qua dây quấn rotor hình thành sức từ động rotor có tínhchất đối kháng với sức từ động stator. Hiện tượng đối kháng này sẽ cân bằng và đảm bảo sức từ động tổng luôn luôn không đổi và bằng với sức từ động hình thành do dây quấn stator lúc không tải.

21 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Gọi: Ta có : N 1 k dq1.i 1 : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn stator (khi động cơ mang tải). N k dq.i : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn rotor (khi mang tải). N 1 k dq1.i 10 : sức từ động tạo bởi một pha dây quấn stator (khi không tải). 1 dq1 1 dq 1 dq1 10 (5.36) N.K.I N.K.I N.K.I 5.6.MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: + V1 - R 1 j.x t1 TÖØ TRÖÔØNG QUAY R I1 - E + I C MAÏCH STATOR TAÀN SOÁ f1 I10 I m + E 1 s R C j.x m HIǸH 5.6: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor đang quay. + V1 - R 1 j.x t1 TÖØ TRÖÔØNG QUAY R I1 - E1 + R C MAÏCH STATOR TAÀN SOÁ f1 I10 j.x m I j.x ts ROTOR QUAY n 0 s 1 MAÏCH ROTOR TAÀN SOÁ f E HIǸH 5.7: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor đứng yên. I C I m I j.x t ROTOR ÑÖÙNG YEÂN n 0 s 1 MAÏCH ROTOR TAÀN SOÁ f1 Thực hiện quá trình khảo sát tương tự như đã thực hiện khi khảo sát mạch tương đương của máy biến áp. Mạch tương đương 1 pha khi động cơ đang quay thỏa phương trình cân bằng áp (5.6) và khi có chú ý đến tổn hao lỏi thép do dòng xóay và chu trình từ trễ tạo ra được trình bày trong hình 5.6. Hình 5.7 trình bày mạch tương đương 1 pha của động cơ khi rotor đứng yên. Tại trạng thái này tần số phía rotor và stator bằng nhau. Trong thực tế trạng thái này xãy ra tại thời điểm động cơ khởi động hay khi rotor mang tải có momen tải quá lớn so với momen ra trên trục động cơ làm rotor bị ghìm đứng yên không quay. Muốn qui đổi mạch rotor về phía stator để đơn giản đi tác động của từ trường quay lên rotor tương tự như mạch qui đổi đã thực hiện cho máy biến áp, ta cần thực hiện lượt qui đổi. Qui đổi mạch rotor từ tần số f sang tần số f 1, (nói cách khác là qui đổi các thông số mạch rotor lúc đang quay thành các thông số khác tương đương như lúc rotor đứng yên). Khi đã qui đổi mạch rotor sang tần số f 1, chúng ta qui đổi rotor về stator QUI ĐỔI MẠCH ROTOR TỪ TẦN SỐ f SANG TẦN SỐ f 1 : Phương trình cân bằng áp phía rotor lúc đang quay ứng với tần số f thỏa quan hệ (5.33). E s (R j.x ). I ts (Rotor ñang quay, taàn soá laø f ) Thay các quan hệ (5.31), (5.3) vào quan hệ (5.33) ta suy ra : t s.e (R j.s.x ). I (5.37)

22 174 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Chia hai vế quan hệ (5.37) cho s, ta được: R E ( j.x ).I t s (5.38) + V1 - R 1 I1 j.x t 1 - E1 + I C R C I10 I m j.x m TÖØ TRÖÔØNG QUAY + E - R S I ROTOR QUAY n s 0 1 j.x t Từ quan hệ (5.38) cho thấy các thông số mạch rotor đã được qui đổi về tần số f 1, mạch điện tương đương của động cơ lúc này được trình bày trong hình 5.8. MAÏCH STATOR TAÀN SOÁ f1 MAÏCH ROTOR TAÀN SOÁ f1 HIǸH 5.8: Mạch tương đương 1 pha lúc rotor quay và tần số rotor qui về f QUI ĐỔI MẠCH ROTOR VỀ STATOR : Sau khi qui đổi mạch rotor từ tần số f sang tần số f 1, muốn qui đổi mạch rotor về phía stator, ta căn cứ vào các phương trình cân bằng áp và dòng (5.5), (5.7) và (5.38). Phương pháp và cơ sở qui đổi thực hiện tương tự như đã trình bày trong bài máy biến áp. Căn cứ vào các biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn phía stator và rotor suy ra tỉ số biến đổi K bd như sau : K bd Từ (5.36) suy ra : E 444,.f.N.K. N.K 1 E 444,.f.N.K. N.K 1 1 dq1 m 1 dq1 1 dq m dq (5.39) Đặt : Đặt : N.K dq I 1.I I10 N.K 1 dq1 I' N.K N.K E' K.E dq I. I K 1 dq1 bd (5.40) bd (5.41) Từ quan hệ (5.38), nhân vế cho K bd suy ra : R ba ba t K.E K.( j.x ).I s R I' ba ba t s Kba K.E K.( j.x ). (5.4)

23 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Đặt ' bd (5.43) R (K ).R ' t bd t (5.43) X (K ).X Các quan hệ (5.40) và (5.4) được viết lại như sau: ' R ' E1 E' ( j.x ).I' t s (5.43) I I' I 1 10 (5.54) + V1 R 1 I1 j.x t 1 - E I C I10 I m R' S - 1 R E' C j.x m j.x ' t I' Căn cứ vào các quan hệ (5.6), (5.43) và (5.54) suy ra mạch tương đương 1 pha dạng chính xác qui đổi rotor về stator theo hình HIǸH 5.9: Mạch tương đương chính xác 1 pha qui đổi rotor vế stator Ý NGHĨA VẬT LÝ CỦA R' s : Muốn hiểu rõ ý nghĩa của thông số này chúng ta tách phần tử thành hai thành phần : R' s 1 s R'.R' s Trong (5.55), các thành phần phân tích mang ý nghĩa như sau : (5.55) + V1 - R R' 1 j.x t 1 I1 - E I C I10 I m - 1 R E' C j.x m + + I' j.x ' t 1 s.r ' s HIǸH 5.30: Mạch tương đương chính xác 1 pha qui đổi rotor vế stator R : điện trở dây quấn rotor qui về stator. 1 s.r ' : đặc s trưng cho cơ năng hữu ích trên trục của động cơ. Mạch tương đương hình 5.9 được vẽ lại theo hình 5.30

24 176 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG GIẢN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ: COÂNG SUAÁT ÑIEÄN P1 CAÁP VAØO STATOR STATOR COÂNG SUAÁT ÑIEÄN TÖØ Pñt COÂNG SUAÁT CÔ Pcô ROTOR COÂNG SUAÁT CÔ RA P (ÑAÕ TRÖØ MA SAÙT CÔ) P1 Pmq TOÅN HAO THEÙP Pth TOÅN HAO ÑOÀNG STATOR Pj1 TOÅN HAO ÑOÀNG ROTOR Pj TOÅN HAO MA SAÙT CÔ Pmq P HIǸH 5.31: Giản đồ phân bố năng lượng trong động cơ không đồng bộ. Từ mạch điện tương đương trong hình 5.30 suy ra các thành phần công suất từ dòng năng lượng cấp vào động cơ như sau: CÔNG SUẤT ĐIỆN CUNG CẤP VÀO ĐỘNG CƠ (THÔNG QUA DÂY QUẤN STATOR): P 3.V.I.cos (5.56) Trong đó : V 1 : điện áp pha cấp vào mỗi pha dây quấn stator. I 1 : dòng qua mỗi pha dây quấn stator. cos 1 : hệ số công suất mỗi pha dây quấn stator. TỔN HAO THÉP th 3 (5.57) C C P.R.I TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN STATOR (TỔN HAO ĐỒNG STATOR): 3 (5.58) j1 1 1 P.R.I CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CHUYỂN TỪ STATOR SANG ROTOR: P P (P P ) ñieän töø 1 th j1 ' r r P 3..I' 3..I ñieän töø s s TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN ROTOR (TỔN HAO ĐỒNG ROTOR): (5.59) j P 3.R'.I' 3.R.I (5.60) CÔNG SUẤT CƠ TRÊN TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ (CHƯA TRỪ ĐI TỔN HAO MA SÁT CƠ QUẠT GIÓ) 1 s 1 s P 3.R'..I'.R..I cô 3 (5.61) s s CÔNG SUẤT CƠ RA TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ (ĐÃTRỪ TỔN HAO MA SÁT CƠ QUẠT GIÓ) Trong trường hợp có tính đến tổn hao ma sát cơ khí do ổ bi, quạt gió.. công suất ra thực sự trên trục của động cơ là P, ta có: P P P cô ma saùt cô (5.6)

25 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Hiệu suất của động cơ không đồng bộ được xác định theo quan hệ sau : P P P P (P P P P ) 1 th j1 j mq (5.63) Khi khảo sát phân bố năng lượng phía rotor ta cần chú ý thêm các mối quan hệ giữa 3 thành phần công suất : P điện từ, P j và P cơ. Từ (5.59), (5.60) và (5.61) suy ra các quan hệ sau: P P P ñieäntöø j cô (5.64) THÍ DỤ 5.3: P s.p j ñieän töø (5.65) cô 1 ñieäntöø (5.66) P ( s).p Cho động cơ không đồng bộ ba pha: 100HP có p = 4 cực, tần số nguồn điện cấp vào động cơ là f = 50Hz, tốc độ định mức 1445 vòng/phút. Cho 1HP 750W, biết tổn hao ma sát cơ là 900 W, tổn hao thép 400 W, tổn hao đồng stator là 700 W ; xác định hiệu suất của động cơ,. GIẢI Áp dụng các quan hệ đã trình bày trong giản đồ phân bố năng lượng, lần lượt xác định các thành phần công suất của động cơ tại tải định mức là : Công suất cơ hữu ích trên trục của động cơ (đã trừ đi ma sát cơ ): P W Công suất cơ : P P P.. W cô Tốc độ đồng bộ của động cơ: n ma saùt cô 60f voøng / phuùt p Độ trượt của động cơ, lúc mang tải đúng định mức: n 1445 s 1 1 0, n Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor : P cô P , 93W ñieäntöø (1-s) Công suất điện cấp vào động cơ : P P P P , ñieäntöø j1 theùp P , 93W 1 Hiệu suất của động cơ : P , , 53% P , 93 1

26 178 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: BIỂU THỨC TỔNG QUÁT CỦA MOMEN: Momen có thể hiểu là năng lượng cấp cho một vật để vật thực hiện chuyển động quay quanh một trục một góc bằng 1 rad. Với động cơ điện, gọi P là công suất cơ cấp đến trục của động cơ đang quay với vận tốc là n ; M là momen cơ trên trục của động cơ và là vận tốc quay góc; ta có định nghĩa của momen như sau: P P M (5.67).n Trong đó đơn vị của các đại lượng là: P W Trong trường hợp đơn vị đo của n voøng phuùt ; n voøng s ; M Nm. quan hệ (5.67) được viết lại như sau: 60.P P M 955,..n n (5.68) THÍ DỤ 5.4: Với động cơ không đồng bộ ba pha: 100HP có tốc độ định mức 1445 vòng/phút và 1 HP = 746W ; tại lúc tải định mức momen định mức trên trục động cơ là: M 955,. 493Nm MOMEN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ : Khi xem như tổn hao ma sát cơ không đáng kể, Momen cơ ra trên trục động cơ được xác định theo quan hệ sau đây : 1 s 3R'..I' P cô s M 955,. 955,. (5.69) n n Ta viết lại như sau: P R' cô s 1 M 955,. 9553,..I'. (5.70) n s n Theo định nghĩa của hệ số trượt ta có: n s n 1 Hay: 1 Thế quan hệ (5.71) vào (5.70), suy ra: 1 s 1 n n 1 (5.71) R' 3.I' P s P cô ñieän töø M 955,. 955,. 955,. (5.71) n n n 1 1

27 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Tóm lại P P cô ñieäntöø 955,. 955, (5.7) n n 1 Nếu đặt Momemen điện từ thỏa quan hệ sau: R' 3.I' P ñieän töø s M 955,. 955,. ñieän tö (5.73) n n 1 1 Từ các quan hệ (5.69), (5.7) và (5.73) suy ra M = M điện từ khi tổn hao ma sát cơ không đáng kể. Một trong các nguyên nhân dùng giải thích lý do cần xây dựng quan hệ (5.73) được trình bày sau đây. Tại lúc động cơ khởi động (hay mở máy) ta có tốc độ động cơ n = 0 ; nên hệ số trượt lúc mở máy là s = 1. Khi thế các giá trị này vào quan hệ (5.69) ta không thể xác định được giá trị của momen lúc khởi động vì quan hệ này có dạng vô định 0 0. Do quan hệ (5.73) tìm được ta xác định được giá trị momen mở máy dựa vào biểu thức của momen điện từ BIỂU THỨC TÍNH GẦN ĐÚNG CỦA MOMEN ĐIỆN TỪ : + V1 - I1 I C R C I10 I m j.x m R 1 j.x t 1 I' R' S HIǸH 5.31: Mạch tương đương 1 pha dạng gần đúng. j.x ' t Với quan hệ (5.73) khi cần xác định momen điện từ tại một điểm làm việc của động cơ tại môt tốc độ định trước hay tại độ trượt viết trước, ta dựa vào mạch tương đương theo hình 5.9 hay Tuy nhiên trong một số trường hợp cần xác định định tính đặc tính của động cơ ta có thể áp dụng mạch tương đương 1 pha dạng gần đúng qui đổi rotor và stator theo hình 5.31 với các giả thiết sau: Xem như Tổn hao thép độc lập với tải được kéo trên trục động cơ. Xem như Tổn hao thép chỉ phụ thuộc điện áp nguồn cấp vào động cơ. Tương tự như trường hợp máy biến áp, ta đặt các đại lượng sau: R R R' n 1 (5.74) X X X' n t1 t (5.75) n n n Z R X (5.76) R n : thànhh phần điện trở ngắn mạch ; X n : thànhh phần điện kháng ngắn mạch và Z n : tổng trở ngắn mạch của mạch tương đương 1 pha.

28 180 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 Từ mạch tương đương hình 5.31, suy ra : I' R 1 V R' s 1 X n Biểu thức xác định momen điện từ xác định như sau : (5.77) R' 9553,..V s M 1. ñieän tö n 1 R' R 1 s X n (5.78) ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ : Đặc tính cơ của động cơ là đồ thị hay đường biểu diễn trình bày quan hệ giữa momen theo tốc độ quay. Đối với động cơ không đồng bộ vì độ trượt s phụ thuộc vào tốc độ quay n của rotor, nên có thể xem đặc tính cơ là quan hệ giữa hàm momen quay theo biến số độ trượt s. Khi xem các thông số của các phần tử trong mạch tương đương của động cơ là hằng số; áp pha nguồn V 1 cấp vào stator không thay đổi giá trị ; ta khào sát hàm momen điện từ theo độ trượt s từ đó suy ra đồ thị của đặc tính cơ. MIỀN XÁC ĐỊNH Khi rotor đứng yên, tại thời điểm động cơ bắt đầu khởi động, ta có n = 0, suy ra s = 1. Khi rotor quay không tải, tốc độ quay xấp xỉ tốc độ từ trường quay n n 1, giá trị của s 0. Miền xác định của s (0,1]. ĐẠO HÀM Suy ra : Hàm momen điện từ theo độ trượt s có dạng u R', với u ; v s R' v R X 1 s dmdt vu' uv '. Ta chỉ cần quan tâm đến tử số của đạo hàm, ta có: ds v R' R' R' R' R' vu' uv ' R X R. n s 1 s s 1 s s R' R' R' R' vu' uv ' R X. R n s 1 s s 1 s R' R' vu' uv ' R X n s 1 s n

29 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Đạo hàm dmdt vu' uv ' 0 khi ds v s th R R' X 1 n R R' X 1 n 0. Suy ra, momen đạt cực trị khi Giá trị độ trượt lúc momen đạt cực trị được gọi là độ trượt tới hạn. s (5.79) Xét dấu đạo hàm, suy ra điểm cực trị là cực đại. Giá trị cực đại của momen được xác định như sau: 9553,..V M 1 1. max n 1 R R X 1 1 n (5.80) M M max s th s HIǸH 5.3: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ M mm Từ quan hệ (5.78) thay thế giá trị độ trượt s = 1 suy ra giá trị của momen tại lúc n = 0 đây chính là giá trị của momen động cơ lúc khởi động. Momen khởi động hay momen mở máy M mm xác định theo quan hệ (5.81). 9553,..V R' M. mm n 1 R X 1 n n (5.81) THÍ DỤ 5.5: Cho một động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc của nhà sản xuất CROMPTON GREAVES (Anh quốc) loại TEFC; cách điện cấp F có các thông số sau: Công suất định mức của động cơ: P đm = 55 KW. Áp dây định mức: V đm = 660V / 380V Y/. (Tần số nguồn điện f = 50 Hz ). Tốc độ định mức của động cơ : n đm = 980 vòng/phút. Hiệu suất định mức là : đm = 93,5%. Hệ số công suất lúc tải định mức: cos đm = 0,86. Bội số dòng điện mở máy của động cơ là m I = 6. Khi cấp nguồn áp 3 pha 380V (áp dây) vào động cơ, lúc mang tải định mức xác định:

30 18 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 1./ Tần số của rotor../ Dòng điện định mức cấp vào stator động cơ. 3./ Công suất điện từ khi biết tổn hao ma sát cơ, quạt gió chiếm 15% tổng tổn hao của động cơ ; tổn hao thép chiếm 5% tổng tổn hao. GỈAI: 4./ Tổn hao đồng rotor và stator suy ra điện trở mỗi pha dây quấn stator. 1. TẦN SỐ CỦA ROTOR KHI TẢI ĐỊNH MỨC: Đông cơ có tốc độ định mức n đm = 980 vòng/phút ; khi vận hành tại tần số f = 50Hz ; suy ra số cực động cơ là p = 6 cực và tốc độ đồng bộ là n 1 = 1000 vòng/phút. Hệ số trượt định mức của động cơ là : n n 1 s ñm , n 1000 Tần số dòng điện rotor lúc tải định mức là : 1 f s.f 0050,. 1 Hz 1. DÒNG ĐIỆN ĐỊNH MỨC ĐỘNG CƠ: Dòng định mức từ nguồn cấp vào động cơ lúc tải định mức được xác định theo quan hệ sau (khi cấp nguồn áp 3 pha với áp dây là 380V vào dây quấn stator đang đấu theo sơ đồ ). Pñm I 103, 9A ñm daây 3V..cos , 935 0, 86 ñm ñm ñm Dòng pha định mức qua mỗi bộ dây quấn lúc tải định mức là: I ñm 103, 9 I 59, 99 60A ñmpha CÔNG SUẤT ĐIỆN TỪ CHUYỂN TỪ STATOR SANG ROTOR: Tổng tổn hao của động cơ: Pñm 1 Toånhao P P P P ñieän ñm ñm ñm 1 1 Toånhao , 53W 0935, Từ điều kiện, tổng tổn hao ma sát cơ, quạt gió chiếm 15% giá trị tổng tổn hao, suy ra: mq P 15% Toånhao 0, , , 53 W Công suất cơ (khi chưa trừ đi ma sát cơ): P P P , , 53 W cô ñm mq Tại tải định mức, ta có hệ số trượt s = 0,0 ; từ đó suy ra công suất điện từ cấp vào rotor: P cô 55573, 53 P 56707, W dt 1 s 1 0, 0 Ipha Idaây Vdaây = 380 V

31 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG TỔN HAO TRÊN DÂY QUẤN TẠI TẢI ĐỊNH MỨC ĐIỆN TRỞ PHA DÂY QUẤN STATOR: Tại tải định mức ứng với hệ số trượt định mức s đm = 0,0; ta có thể xác định tổn hao trên dây quấn rotor theo một trong các quan hệ sau: P j s.p ñt s.p cô 1 s P 0, , , 15 W j Vì tổn hao thép chiếm 5% tổng tổn hao, ta suy ra : theùp P 5% Toånhao 0, 5 383, , W Tổn hao trên dây quấn stator: Toånhao P P P P theùp j1 j mq P Toånhao P P P j1 theùp j mq P 383, , , , , W j1 Điện trở trên một pha dây quấn stator: P 1170 R 01083, j1 1 3.I dmpha

32 184 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5 BÀI TẬP 5.1 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha : 5 hp, 6 cực, 60 Hz có rotor dây quấn; điện trở và điện kháng tương đương 1 pha là : R = 0,1 Ω/pha ; X t = 0,54 Ω/pha. Điện áp đo trên mỗi pha rotor khi rotor bị chận là E = 150 V. Khi động cơ vận hành, nếu rotor quay với tốc độ là 1164 vòng/phút, xác định: a./ Tốc độ đồng bộ (tốc độ n 1 của từ trường quay). b./ Hệ số trượt. c./ Tổng trở phía rotor lúc đang quay. d./ Dòng điện rotor. e./ Dòng điện qua dây quấn rotor khi thay đổi tải trên trục để có hệ số trượt s = 1,4 % f./ Tốc độ động cơ khi đạt điều kiện theo câu e. ĐÁP SỐ: a./ 100 vòng/phút b./ s = 0,03 R o c./ ZR j.x 338, 90 t s d./ I R = I = 44,4 A e./ o IR I 18, A f./ 1185 vòng/phút BÀI TẬP 5. Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 5 hp, 4 cực, 60 Hz; 460 V (áp dây) có công suất điện từ cấp vào rotor là 14,58 kw. Tổn hao đồng là 63 W, tổn hao ma sát cơ quạt gió là 197 W. Xác định: a./ Tốc độ động cơ. b./ Công suất cơ cấp đến tải. c./ Momen cơ trên trục động cơ. ĐÁP SỐ: a./ 1767,6 vòng/phút b./ W c./ 77,35 Nm BÀI TẬP 5.3 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 100 hp; 6 cực ; 60 Hz ; 30 V (áp dây) có hiệu suất là 91 % khi được cấp dòng dây hiệu dụng là 18 A. Cho tổn hao lỏi thép, tổn hao đổng stator và tổn hao đổng rotor lần lượt là : 1697 W ; 803 W và 1549 W. Xác định: a./ Công suất điện cấp vào động cơ. b./ Tổng tổn hao của động cơ. c./ Công suất điện từ. d./ Tốc độ độngcơ. e./ Hệ số công suất của động cơ. f./ Tổn hao ma sát cơ + quạt gió. g./ Momen cơ ra trên trục. ĐÁP SỐ: a./ W b./ 7378 W c./ W d./ 1176 vòng/phút e./ HSCS = 0,83 f./ 139 W g./ 605,8 Nm BÀI TẬP 5.4 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 40 hp; 8 cực, 60 Hz, 300 V (áp dây) vận hành 80 % tải định mức tại điện áp thấp hơn định mức 6 %. Hiệu suất và hệ số công suất của động cơ trong trạng thái này lần lượt là 85% và 90%. Tổn hao ma sát cơ và quạt gió là 1011 W, tổn hao đồng rotor là 969 W, tổn hao đồng stator là 1559 W. Xác định: a./ Công suất cơ trên trục. b./ Tốc độ động cơ. c./ Momen cơ ra d. Hệ số trượt. e./ Dòng dây từ nguồn cấp vào động cơ. f./ Tổn hao thép.

33 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG BÀI TẬP 5.5 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 5 hp, 4 cực, 60 Hz, 115 V (áp dây) hoạt động tại áp định mức, tần số định mức và hệ số tải là 15 % ; động cơ có hiệu suất là 85,4%. Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor và tổn hao thép lần lượt là : 3, W ; 153 W và 114,8 W. Xác định: a./ Tốc độ động cơ. b./ Momen ra trên trục. c./ Momen sinh ra do ma sát cơ, quạt gió. BÀI TẬP 5.6 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 50 hp, 4 cực, 60 Hz, 30V (áp dây) hoạt động tại áp định mức, tần số định mức. Động cơ bị qua tải khi tần số giảm thấp 5% và áp nguồn giảm thấp 7%. Để tránh tình trạng quá tải công suất cơ trên trục giảm còn 70% công suất định mức. Dòng dây nguồn cấp vào động cơ lúc này là 100 A. Các thành phần tổn hao trong trạng thái hoạt động này là; tổn hao đồng stator 1015 W ; tổn hao đổng rotor 696 W ; tổn hao thép 5 W tổn hao do ma sát cơ và quạt gió là 667 W. Xác định: a./ Hiệu suất của động cơ. b./ Tốc độ động cơ. c./ Momen cơ trên trục. d./ Hệ số công suất. BÀI TẬP 5.7 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 5 hp, cực, 60 Hz, 30V (áp dây) dùng kéo tải theo yêu cầu momen không đổi (momen là hằng số không phụ thuộc vào tốc độ quay). Động cơ hoạt động tại áp định mức, tần số định mức với tốc độ định mức là 3575 vòng/phút. Xác định công suất cơ trên trục, tốc độ quay và hiệu suất nếu tần số giảm thấp đến 54 Hz. Hệ số công suất và dòng dây nguồn trong điều kiện mới là 0,89 và 55 A. Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor và tổn hao thép lần lượt là: 99,7 W, 496 W và 546 W. BÀI TẬP 5.8 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 15 hp, 6 cực, 60 Hz, 460V (áp dây) dây quấn stator đấu Y, dùng kéo bơm ly tâm tại tốc độ 1185 vòng/phút. Tổn hao ma sát cơ và quạt gió là 166 W. Thông số mạch tương đương 1 pha qui về stator là: R 1 = 0, Ω ; R = 0,5 Ω ; R c = 317 Ω X t1 = 1, Ω ; X t = 1,9 Ω ; X m = 4 Ω Áp dụng mạch tương đương dạng chính xác, xác định: a./ Hệ số trượt. b./. Dòng dây cấp vào dây quấn stator. c./ Công suất điện và hệ số công suất của động cơ. d./ Tổn hao đồng stator, tổn hao đồng rotor. e./ Công suất điện từ. f./ Công suất cơ và momen cơ trên trục g./ Hiệu suất của động cơ. ĐÁP SỐ: a./ 0,015 b./ 15,11 A c./ 10,4 kw ; HSCS = 0,864 d./ 137 W, 11 W e./ 9655 W f./ 9368 W ; 75,5 Nm g./ 90% BÀI TẬP 5.9 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 40 hp, 4 cực, 60 Hz, 460V (áp dây) có tốc độ định mức là 1751 vòng/phút. Thông số mạch tương đương 1 pha qui về stator là: R 1 = 0,10 Ω ; R = 0,153 Ω ; R c = 10, Ω X t1 = 0,409 Ω ; X t = 0,613 Ω ; X m = 7,665 Ω Xác định: a./ Tốc độ tại lúc đạt momen cực đại. b./ Momen cực đại và momen định mức ĐÁP SỐ: a./ 153 vòng/phút b./ 70,3 Nm ; 88,51 Nm

34 186 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5

35 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHƯƠNG 06 MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA Máy phát điện đồng bộ hay máy phát điện xoay chiều là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng. Máy phát điện xoay chiều được chế tạo theo loại một pha hay ba pha, là thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền tải và cung cấp điện năng. Ngày nay các máy phát điện công suất lớn có công suất vài trăm MVA với nguồn cơ năng dùng thủy lực hình thành các nhà máy thủy điện cung cấp cho khu vực hay quốc gia. Các máy phát điện có công suất nhỏ từ 10KVA đến 1MVA, với nguồn cơ năng là động cơ nổ Diessel, hình thành các nhà máy nhiệt điện nhỏ hay các tổ động cơ máy phát dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp. Máy phát điện còn có khả năng đấu vận hành song song (hòa đồng bộ ) để nâng công suất cấp đến tải, hay dùng làm máy bù dùng nâng cao hệ số công suất. Với khả năng và phạm vi sử dụng rộng rãi của máy phát, các chuyên-viên kỹ-thuật cần nắm vững các nguyên lý cơ bản; để thuận lợi trong công tác vận hành và bảo quản. 6.1.CẤU TẠO CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH : Máy phát điện đồng bộ gồm hai thành phần chính : ROTOR: còn được gọi là phần cảm dùng tạo ra từ trường kích thích dạng một chiều (không biến thiên biên độ theo thời gian). ROTOR CỰC TỪ LỒI dây quấn trên các cực từ được quấn tập trung, hình dạng của rotor cực lồi trình bày trong hình H6.1. ROTOR CỰC TỪ ẦN : dây quấn trên rotor thực hiện theo dạng dây quấn phân bố không tập trung, xem hình H6.3 và H6.4. HIǸH H6.1: Kết cấu của rotor cực từ lồi, p = 4 Rotor chưa được đóng vào trục. Trên rotor đã có quấn dây quấn kích thích. HIǸH H6.: Hình dạng của rotor cực từ lồi sau khi đã đóng trục.

36 188 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 HIǸH H6.3: Hình dạng của rotor cực từ ẩn, rotor chưa được quấn dây. HIǸH H6.4: Hình dạng của rotor cực từ ẩn, dây quấn rotor đang được sửa chửa.

37 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG STATOR: còn được gọi là phần ứng, kết cấu của stator máy phát điện xoay chiều giống như kết cấu của stator động cơ cảm ứng. Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha. Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 10 o. Hình dạng của stator máy phát điện đồng bộ, trình bày trong hình H6.5, H6.6. HÌNH H6.5: Dây quấn stator máy phát đang được thi công. HÌNH H6.6: Stator máy phát đang được bảo trì.

38 190 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG HỆ THỐNG VÀNH TRƯỢT VÀ MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐẦU TRỤC : Muốn tạo thành từ trường kích thích một chiều trên phần cảm chúng ta cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor. Khi rotor được kéo quay bởi động cơ sơ cấp, để tránh tình trạng các dây nối bị xoắn, dòng một chiều được cấp vào rotor thông qua hệ thống vành trượt và chổi than. Các vành trượt là hai vòng hình trụ bằng đồng thau (hay đồng đỏ), được bố trí đồng trục với rotor. Vành trượt được cách điện với phần kim loại của trục quay bằng các vật liệu cách điện, xem hình H6.7. HÌNH H6.7: Kết cấu vành trượt và chổi than trên stator. Tiếp xúc với hai vành trượt là hai chổi than được lắp cố định so với trục quay rotor, dùng cấp điện vào cho dây quấn rotor. Dây quấn rotor, sau khi được quấn theo công nghệ nhất định (để hình thành các từ cực trên rotor) sẽ đưa ra đầu dây. Hai đầu dây này được bố trí chạy bên trong cốt trục quay đến các vành trượt và được hàn dính vào hai vành trượt này. Với các máy phát điện có công suất lớn, từ 00 KVA trở lên, dòng một chiều được cấp vào phần cảm có giá trị rất lớn từ vài chục đến vài trăm Ampère trong quá trình vận hành. Tiếp xúc giữa chổi than và vành trượt dễ sinh ra các tia lửa điện khi rotor đang hoạt động; vấn đề bảo trì và vận hành tương đối phức tạp, ngoài ra tổn hao nhiệt do điện trở tiếp xúc (giữa chổi than và vành trượt) trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của máy phát điện. Dạng máy phát điện dùng hệ thống chổi than và vành trượt để cấp nguồn một chiều cho phần cảm, được gọi là máy phát điện kích từ trực tiếp. Ngày nay để khắc phục nhược điểm của hệ thống vành trượt và chổi than, các máy phát (sử dụng động cơ sơ cấp là động cơ nổ) thường được chế tạo theo dạng brushless không chổi than. Muốn cấp nguồn một chiều vào cho phần cảm ta phải dùng thêm một máy phát điện đầu trục. Liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đều trục được mô tả như sau: Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha. Phần ứng của máy phát điện đầu trục được ghép đồng trục với phần cảm của máy phát chính. Cả hệ thống này được quay bởi động cơ nổ sơ cấp. Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần ứng của máy phát chính. Phần cảm của máy phát đầu trục cũng được cấp nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích (loại một chiều).

39 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích và động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát đầu trục. Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục hình thành các sức điện động cảm ứng. Điện áp 3 pha phát ra từ phần ứng của máy phát đầu trục được chỉnh lưu bằng mạch cầu diode bán dẫn để trở thành nguồn một chiều cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính. Cầu chỉnh lưu gồm 6 diode bán dẫn được lắp trên dĩa cách điện, cố định đồng trục với phần ứng máy phát đầu trục và phần cảm của máy phát chính. Tòan bộ kết cấu của máy phát điện dùng máy phát đầu trục kích từ được mô tả trong hình H6.8. Khi chỉnh lưu nguồn áp 3 pha từ phần ứng máy phát đầu trục để tạo thành nguồn áp một chiều cấp vào cho phần cảm máy phát chính, để cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng, tần số của nguồn áp 3 pha phát ra từ máy phát đầu trục có giá trị cao hơn tần số lưới điện thông thường. Tần số này có thể từ 10Hz đến 40Hz. Do đó, số cực từ của máy phát đầu trục lớn hơn số cực của máy phát chính từ 3 đến 6 lần Stator máy phát điện chính Rotor máy phát chính Stator máy phát điện đầu trục Rotor máy phát điện đầu trục HÌNH H6.8: Cấu tạo máy phát điện có dùng máy phát điện đầu trục (brushless alternator)

40 19 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ: Với nội dung tóm lược về cấu tạo máy phát điện đồng bộ như vừa trình bày trong các mục trên, tùy thuộc vào phương pháp cấp dòng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm ta có các dạng máy phát kích thừ trực tiếp, và máy phát điện có máy phát kích từ đầu trục. HÌNH H6.9: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại kích từ trực tiếp) Sơ đồ nguyên lý của mỗi loại được trình bày lần lượt trong các hình H6.9 và H6.10. Trong hình H6.11 trình bày cấu tạo của nửa bộ chỉnh lưu câu dùng chỉnh lưu dòng xoay chiều 3 pha từ phần ứng máy phát điện đầu trục thành nguồn một chiều để cấp vào phần cảm của máy phát chính. HÌNH H6.10: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện đồng bộ (loại không chổi than, dùng máy phát đầu trục.) HÌNH H6.11: Hình dạng của nửa cầu chỉnh lưu dùng chỉnh lưu trong máy phát điện đồng bộ

41 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: Xét mô hình nguyên lý đơn giản của máy phát điện đồng bộ gồm: HÌNH H6.1: o 10 o 10 B Phần cảm (rotor) cực từ lồi p = Phần ứng (stator) bố trí ba bộ dây quấn, lệch vị trí không gian từng đôi Gọi tốc độ của động cơ sơ cấp dùng quay phần cảm là n 1. Vận tốc góc của động cơ sơ cấp là 1. n1. Vì từ thông tạo bởi dây quấn kích thích không biến thiên theo thời gian, nên vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm của máy phát có biên độ không thay đổi. Do đó khi dùng động cơ sơ cấp quay phần cảm tròn đều với tốc độ 1. n1, từ trường tạo bởi phần cảm chuyển động tròn đều cho ta hình ảnh của từ trường quay tròn. Giả sử tại lúc bất kỳ ta xét từ thông xuyên qua bộ dây quấn AX. Gọi là góc hợp bởi phương của trục bộ dây AX với vector cảm ứng từ tạo bởi phần cảm, ta có kết quả như sau: số B.A AX B.A. cos (6.1) Trong đó A là tiết diện của bộ dây AX và B là cảm ứng tử tạo bởi phần cảm, thay thế tích và t ta có: m 1 cos t (6.) AX m. 1 Khi chọn trục qua bộ dây AX làm chuẩn, từ thông tạo bởi từ trường phần cảm với các bộ dây BY và CZ được viết như sau: o BY m. cos 1t 10 (6.3) o CZ m. cos 1t 40 (6.4) Tóm lại khi động cơ sơ cấp quay tròn đều phần cảm, từ trường kích thích tạo ra các từ thông biến thiên theo thời gian qua các bộ dây AX, BY, CZ. Nói một cách khác từ trường phần cảm quét qua các bộ dây quấn sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng trên mội bộ dây. Áp dụng công thức Faraday ta có các kết quả sau: Hay: Tương tự: d AX d m.cos 1t eax Npha.K dq. Npha.K dq. dt dt eax pha dq m 1 1 N.K.. sin t (6.5) eby 10 o Npha.K dq. m. 1 sin 1t (6.6) ecz 40 o Npha.K dq. m. 1 sin 1t (6.7) Từ các quan hệ (6.5) đến (6.7) cho thấy các sức điện động sinh ra trên 3 pha dây quấn hợp thành nguồn áp 3 pha cân bằng. Với chiều quay của động cơ sơ cấp trong hình vẽ H6.1 khi từ trường phần cảm quét lần lượt qua các bộ dây AX, BY, CZ cho ta nguồn áp 3 pha thứ tự thuận.

42 194 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SƠ CẤP VÀ TẦN SỐ NGUỒN ĐIỆN PHÁT RA: Từ mô hình trình bày trong hình H6.1 với số cực p = cực, ta có nhận xét như sau: Giá trị vận tốc góc 1. n1 đầu tiên được tạo bởi động cơ sơ cấp. Tuy nhiên trong các quan hệ (6.5) đến (6.7) vai trò của 1 trở thành tần số góc của nguồn áp sinh ra trên các bộ dây quấn stator của máy phát. Tại lúc này ta có :.f (6.8) 1 Trong đó f là tần số nguồn áp 3 pha sinh ra trên dây quấn stator của máy phát. So sánh quan hệ (6.8) với quan hệ 1. n1 suy ra. f n 1 (6.9) Đơn vị đo của các đại lượng trong quan hệ (6.9) là : [f] = [Hz] ; [n 1 ] = [vòng/s]. Từ quan hệ (6.9) ta rút ra nhận xét sau: Với phần cảm có p = cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator một vòng, sức điện động hình thành trong bộ dây thực hiện được 1 chu kỳ. Với phần cảm có số cực p > cực, khi quay từ thông phần cảm quét qua một bộ dây quấn stator 1 vòng, như vậy đã có p cặp cực từ quét qua bộ dây nên có p chu trình của nguồn điện sin đã thực hiện trong bộ dây. Một cách tổng quát ta có được quan hệ sau: f p.n 1 (6.10) Trong đó [f] = [ Hz] ; [n 1 ]=[vòng/giây]. Khi tốc độ được tính theo [vòng / phút ], quan hệ (6.10) được viết lại như sau : THÍ DỤ 6.1: p.n f 1 (6.11) 60 Máy phát điện đồng bộ 3 pha có p = 4 cực muốn phát ra nguồn áp có tần số là 50 Hz thì động cơ sơ cấp cần có tốc độ quay là: 60.f n 1500 voøng / phuùt 1 p Trường hợp muốn máy phát ra nguồn áp có tần số 60 Hz động cơ sơ cấp cần tăng tốc đến giá trị sau: 60.f n 1800 voøng / phuùt 1 p SỨC ĐỘNG ĐỘNG HIỆU DỤNG PHA CỦA MỖI BỘ DÂY QUẤN TRÊN STATOR: Từ các quan hệ (6.50 đến (6.7) biên độ của sức điện động pha trên mỗi bộ dây quấn là: E N.K.. f.n.k. (6.1) phamax pha dq m 1 pha dq m Suy ra sức điện động hiệu dụng pha của mỗiu pha dây quấn trên stator máy phát điện đồng bộ là : Ephamax E 4,44.f.N.K. pha pha dq m (6.13) Trong đó K dq là hệ số dây quấn của mỗi pha dây quấn.

43 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Biểu thức sức điện động hiệu dụng của mỗi pha dây quấn còn được trình bày theo quanhệ: Hay: p.n E 4, 44..N.K pha pha dq m 4,44.p.N.K pha dq E.n. 60 pha 1 m Gọi K E là hằng số cấu tạo phần ứng (stator) của máy phát,, ta có: (6.14) K E 4,44.p.N.K pha 60 dq (6.15) Tóm lại Từ các quan hệ (6.14) và (6.15) suy ra: E K.n. pha E 1 m (6.16) Sức điện động mỗi pha tỉ lệ thuận với hai thông số: từ trường m kích thích của phần cảm và tốc độ quay n 1 của động cơ sơ cấp. Tần số f của sức điện động pha tỉ lệ thuận với : số đôi cực p của máy phát và tốc độ quay n 1 của động cơ sơ cấp. THÍ DỤ 6.: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha có p = 4 cực và sức điện động pha là E pha = 380 V khi phát tại tần số 60 Hz. Bây giờ muốn máy phát cấp sức điện động pha vẫn là E pha = 380 V nhưng tần số là 50 Hz ta cần phải điều chỉnh các thông số nào của máy phát. GIẢI TT1: TT: Với yêu cầu nêu trong thí dụ, ta có hai trạng thái hoạt động cho máy phát: Tại trạng thái phát ra tần số f = 60 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: 60.f n 1800 voøng / phuùt 11 p Tại trạng thái phát ra tần số f = 50 Hz. Tốc độ động cơ sơ cấp là: 60.f n 1500 voøng / phuùt 1 p Như vậy khi chuyển chế độ làm việc của máy phát từ trạng thái phát ra nguồn áp tần số 60Hz sang trạng thái phát nguồn áp tần số 50 Hz, ta cần giảm tốc độ quay của động cơ sơ cấp. Ngoài ra muốn đảm bảo điều kiện duy trì sức điện động hiệu dụng pha E pha = 380 V; theo quan hệ (6.16) ta phải điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích. Xét tỉ số sau: E n. E n. pha 1 max pha1 11 max 1 1 hay n. 1,. 11 max n 1 max 1 max 1 Tóm lại muốn duy trì E pha = 380 V, ta cần tăng từ thông kích thích tại lúc phát tần số 50 Hz.

44 196 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ : Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng máy phát, mạch kín cho dòng qua tải. Dòng qua tải có tính chất của dòng cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ 3 pha dây quấn trên stator máy phát. Theo Lenz các dòng cảm ứng có khuynh hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó. Do đó các dòng qua phần ứng hình thành từ trường tương tác lên từ trường phần cảm. Sự tương tác giữa hai thành phần từ trường này được gọi là phản ứng phần ứng. Tùy thuộc vào tính chất của tải (hệ số công suất của tải) ta có 3 trường hợp sau khi xét phản ứng phần ứng PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN TRỞ : max + E pha - Ikt I + Vkt - R max I ö HÌNH H6.13: Phản ứng phần ứng với tải thuần trở Epha Giả sử dây quấn phần ứng đấu Y, tải 3 pha cân bằng; bỏ qua nội trở của dây quấn phần ứng. Chúng ta khảo sát phản ứng phần ứng sinh ra trong trường hợp này bằng mạch điện tương đương một pha của phần ứng phối hợp với giản đồ vẽctor phase như sau (hình H6.13). Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm ( m ). Vector đặc trưng cho sức điện động pha E pha, chậm pha 90 o so với từ thông ( m ). Vì tải thuần trở dòng phần ứng trùng pha với sức điện động. Dòng điện này hình thành từ thông ứng ( ư ) trùng pha với nó. Vậy từ thông phần cảm và phần ứng có phương vuông góc với nhau. Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến giá trị của sức điện động sinh ra trên mỗi pha. Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ ngang trục PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN CẢM : max + E pha - I L Ikt + Vkt - ö max E pha HÌNH H6.14: Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm I Tương tự như phần khảo sát trên, khi tải thuần cảm mạch tương đương trình bày trong hình H6.14. Vẽ vector từ trường kích thích tạo bởi phần cảm ( m ). Vẽ vector sức điện động pha chậm pha 90 o so với từ thông ( m ). Vì tải thuần cảm, dòng phần ứng chậm pha 90 o so với sức điện động. Dòng điện này hình thành từ thông ứng( ư ) trùng pha với dòng ứng. Nên từ thông ( ư ) chậm pha hơn sức điện động góc Vậy từ thông phần cảm và phần ứng ngược hướng với nhau. Tóm lại từ thông phần ứng có khuynh hướng khử từ thông phần cảm. Vì hướng của các từ thông ngược nhau, ta nói phản ứng phần ứng là dạng khử từ dọc trục.

45 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VỚI TẢI THUẦN DUNG : max + E pha - Ikt I + Vkt - ö C max I Tương tự như các nội dung đã khảo sát trong các mục trên, với tải thuần dung mạch tương đương trình bày trong hình H6.15; các vector từ thông và điện áp được xây dựng tuần tự theo qui trình như sau: Vẽ vector đặc trưng cho từ trường kích thich tạo bởi phần cảm ( m ). Vector đặc trưng sức điện động chậm pha 90 o so với từ thông Vì tải thuần dung, dòng qua HÌNH H6.15: Phản ứng phần ứng với tải thuần dung phần ứng sớm pha 90 o so với sức điện động. Dòng điện này tạo thành từ thông ứng( ư ) trùng pha với dòng ứng. Từ thông ( ư ) sớm pha hơn sức điện động góc Từ thông phần cảm và phần ứng cùng hướng với nhau, ta nói từ thông phần ứng có khuynh hướng hổ trợ từ thông phần cảm. Phản ứng phần ứng là dạng trợ từ dọc trục ĐIỆN KHÁNG ĐỒNG BỘ ( X S ) : Với tải có tính chất bất kỳ, máy phát sinh ra các phản ứng phần ứng dọc trục hay ngang trục. Các phản ứng này ảnh hưởng đến từ thông phần cảm và làm thay đổi giá trị sức điện động trên mỗi pha khi máy phát mang tải. Để đặc trưng cho các phản ứng phần ứng và đơn giản hóa trong quá trình khảo sát máy phát bằng cách dùng mạch điện tương đương; chúng ta dùng điện kháng đồng bộ X s. Thực sự điện kháng đồng bộ dọc trục, vừa phản ánh phản ứng phần ứng nhưng lại vừa phản ánh thành phần từ thông tản từ (điện kháng tản từ) trên dây quấn phần ứng. E pha Rpha j.x S Ipha Ipha Epha Zt Vpha Z S R j.x pha S HÌNH H6.16: Mạch tương đương 1 pha của máy phát điện đồng bộ. Mạch điện tương đương 1pha của phần ứng được trình bày trong hình H6.16 Phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng (stator) trên một pha: pha pha pha S pha E V R j.x I (6.17) Vpha Zt Ipha (6.18)

46 198 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ: Khi vận hành máy phát điện, trước tiên cần điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp tương thích với số cực để tạo được tần số đúng yêu cầu và duy trì tốc độ quay không đổi để tần số ổn định. Kế tiếp điều chỉnh dòng một chiều cấp vào phần cảm có giá trị phù hợp để tạo các áp pha trên bộ dây quấn stator có giá trị bằng đúng định mức. Điều chỉnh thay đổi dòng kích từ cấp vào dây quấn phần cảm làm thay đổi giá trị của điện áp ra trên stator. Áp pha lúc không tải chính là sức điện động cảm ứng E pha sinh ra trên mỗi pha dây quấn. Khi máy phát mang tải, nếu duy trì không điều chỉnh thay đổi dòng kích từ, áp pha trên mỗi pha tải lúc vận hành có giá trị là V pha. Giá trị này khác với áp pha lúc không tải. Độ chênh lệch giá trị giữa E pha và V pha được gọi là độ thay đổi điện áp của máy phát. Gọi V là độ thay đổi điện áp và V% là phần trăm độ thay đổi điện áp, ta có các định nghĩa như sau: V E V (6.19) pha pha E V pha pha V% 100 V pha (6.0) ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH CẢM: Bài toán xác định độ thay đổi điện áp máy phát theo tải thường được khảo sát theo lý thuyết dưới dạng giản đồ vector. Với tải có tính cảm giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.17. E pha Epha Rpha j.x S Ipha Zt Vpha I pha V.cos pha V pha pha R.I pha pha V.sin X.I S pha HÌNH H6.17: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính cảm Từ giản đồ vector hình H6.17, khi chọn dòng I pha làm chuẩn, ta suy ra quan hệ sau: E V.cos R.I V.sin X.I (6.1) pha pha pha pha pha S pha Hay: pha pha pha pha S pha Epha V.cos R.I j. V.sin X.I (6.) Khi tính được E pha và biết trước U pha ta xác định V hay V% theo (6.19) hay (6.0).

47 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐỘ THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP KHI TẢI CÓ TÍNH DUNG: Tương tự với tải có tính dungf giản đồ vector được vẽ từ mạch tương đương 1 pha trình bày trong hình H6.18. Rpha j.x S + Epha - Ipha Zt Tải nh cảm HSCS trễ + Vpha - V.cos pha I pha E pha V pha V.sin pha X.I S pha R.I pha pha HÌNH H6.18: Giản đồ vector dùng xác định độ thay đổi điện áp với tải có tính dung Từ giản đồ vector hình H6.18, khi chọn dòng I pha làm chuẩn ta suy ra quan hệ sau: E V.cos R.I V.sin X.I (6.3) pha pha pha pha pha S pha Hay: pha pha pha pha S pha Epha V.cos R.I j. V.sin X.I (6.4) THÍ DỤ 6.3: Cho máy phát đồng bộ 3 pha: 30 kva ; 0 V, dây quấn stator đấu Y. Biết tổng trở đồng bộ một pha của máy phát là: Z S R j.x 0,4 j.1, pha S pha. a./ Tính độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải với điện áp cấp đến tải bằng định mức. Biết HSCS tải là 0,8 trễ. b./ Tính lại câu a, nếu HSCS tải là 0,8 sớm. CHÚ Ý: Với máy phát điện đồng bộ các thông số định mức gồm: Công suất biểu kiến định mức S : là công suất biểu kiến tiêu thụ trên tải được qui định dm bởi nhà sản xuất. Điện áp định mức V : là áp dây cấp đến tải từ máy phát. Điện áp này luôn được duy dm trì không đổi khi cấp đến tải. Do đó khi tải thay đổi muốn duy trì giá trị này trên tải ta cần phải điều chỉnh thay đổi sức điện động pha của máy phát bằng cách điều chỉnh thay đổi dòng kích thích. Dòng điện định mức I dm : là dòng dây từ máy phát cấp đến tải khi tải tiêu thụ công suất biểu kiến bằng đúng định mức và áp cấp đến tải bằng định mức. Các quan hệ giữa các thông số định mức của máy phát trình bày như sau:

48 00 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 I pha I daây Trong hình H6.17 trình bày mạch phần ứng máy phát đang cấp nguồn đến tải. Theo qui định vận hành trong thực tế, ta luôn đảm bảo thông số sau: V daây V (6.5) ñm Suy ra: V pha V V daây ñm (6.6) 3 3 HÌNH H6.17: GIẢI Khi máy phát đầy tải (hay phát tải định mức) ta có : I daây ñm Khi tải 3 pha cân bằng đấu Y, ta có: I daây I (6.7) I (6.8) Công suất biểu kiến định mức của máy phát được xác định theo quan hệ sau: S 3.V.I (6.9) ñm ñm ñm a./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 trễ. Dòng điện định mức cấp đến tải : pha I ñm S ñm 3.V 3.0 ñm 78,73 A Áp pha định mức cấp đến tải : V pha ñm V 0 ñm V Các dữ liệu cho trong thí dụ: R 0,4 ; X 1, ; cos 0,8 ; sin 0,6. pha S Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.1) suy ra sức điện động pha là: pha Epha E 17 0,8 0,4 78, ,6 1, 78,73 16,43 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: E V pha pha 16, V% V 17 pha V% 70,4 %

49 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 01 b./ Độ thay đổi điện áp khi tải định mức và HSCS tải 0,8 sớm. THÍ DỤ 6.4: Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.3) suy ra sức điện động pha là: pha Epha E 17 0,8 0,4 78, ,6 1, 78,73 134,34 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: E V pha pha 134,34 17 V% V 17 pha V% 5,78 % Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính lại phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải tại điện áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,6 sớm. GIẢI Khi máy phát đầy tải tại áp định mức, các số liệu dùng trong phép tính bao gồm: R 0,4 ; X 1, ; cos 0,6 ; sin 0,8 ; I pha S ñm 78,73 A ; Vpha ñm 17 V Vì tải có tính dung, áp dụng quan hệ (6.3) suy ra sức điện động pha là: pha Epha E 17 0,6 0,4 78, ,8 1, 78,73 107,93 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: E V pha pha 107,93 17 V% V 17 pha V% 15,0 % Giá trị V% 0 cho thấy sức điện động pha có giá trị thấp hơn điện áp pha trên tải. Giá trị này phản ảnh được tính chất trợ từ của phản ứng phần ứng khi tải có tính dung. THÍ DỤ 6.5: Với máy phát điện có số liệu định mức cho trong thí dụ 6.3; tính phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát có hệ số tải K t = 0,8 tại áp định mức và hệ số công suất của tải là 0,7 trễ. CHÚ Ý: Hệ số tải dùng trong máy phát điện đồng bộ 3 pha có định nghĩa tương tự như trường hợp của máy biến áp. Ta có : K S 3.V.I I taûi ñm daây daây t S I ñm 3.V.I (6.30) ñm ñm ñm

50 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 GIẢI Khi máy phát tại hệ số tải K t = 0,8 với áp định mức, dòng pha qua tải là: K.S 0, t ñm I I 6,984 A pha daây 3.V 3 0 ñm Các số liệu cần dùng để tính toán gồm: R 0,4 ; X 1, ; cos 0,7 ; sin 0,714 ; I pha S ñm 6,984 A ; Vpha ñm 17 V Vì tải có tính cảm, áp dụng quan hệ (6.1) suy ra sức điện động pha là: pha Epha E 17 0,7 0,4 6, ,714 1, 6,984 01,64 V Phần trăm độ thay đổi điện áp là: E V pha pha 01,64 17 V% V 17 pha V% 58,77 % 6.5.CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ : Máy phát điện đồng bộ có ba đặc tuyến làm việc chính: Đặc tuyến không tải. Đặc tuyến ngoài hay còn gọi là đặc tuyến tải. Đặc tuyến điều chỉnh ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI: Đặc tuyến không tải của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa sức điện động pha của phần ứng với dòng điện kích thích cấp vào phần cảm. Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi : Không đấu tải vào dây quấn phần ứng. Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm. Vì sức điện động pha tỉ lệ thuận với từ cảm B HÌNH H6.18: Thí nghiệm không tải trong khi dòng kích thích tỉ lệ thuận với sức từ động kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm. Như vậy dòng kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H của vật liệu sắt từ tạo nên máy phát. Tóm lại đặc tuyến không tải của máy phát có dạng của đường cong từ hóa của vật liệu sắt từ tạo thành máy phát. Hình dạng của đặc tuyến không tải trình bày trong hình H Trên đặc tuyến này lúc I kt = 0 ta vẫn có được giá trị của sức điện động pha. Giá trị này hình thành do từ trường dư tồn tại trong phần cảm. Sức điện động pha tạo bởi từ trường dư được gọi là E pha dư.

51 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 03 Epha Epha1 Epha n11 n1 n13 ( n11 > n1 > n13 ) Trong hình H6.19 trình bày các đặc tuyến không tải khi thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp (tức thay đổi tần số nguồn điện phát ra). Tương ứng với giá trị định trước của dòng kích thích khi tăng tốc độ sức điện động pha gia tăng và ngược lại. Giá trị của sức điện động pha dư thường trong phạm vi vài volt đến khoảng 10V tùy thuộc vào cấp công suất của máy phát ĐẶC TUYẾN TẢI (ĐẶC TUYẾN NGOÀI): Epha dæ Ikt Ikt Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa áp pha V pha trên tải theo dòng điện pha I pha qua tải. HÌNH H6.19: Đặc tuyến không tải Đặc tuyến không tải được ghi nhận qua thí nghiệm khi : Điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp có giá trị định trước để ổn định tần số của nguồn điện phát ra và duy trì tốc độ bằng hằng số trong suốt quá trình thí nghiệm. Điều chỉnh dòng kích thích để có được áp không tải bằng định mức trước khi đấu tải vào phần ứng. Duy trì giá trị dòng kích thích này không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm. Đấu tải vào phần ứng máy phát; điều chỉnh thay đổi tổng trở tải nhưng duy trì hệ số công suất không thay đổi. Trong hình H6.0 trình bày đặc tuyến Vpha cos0,7 sôùm tải với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS 0,7 trễ, tính dung với HSCS 07 sớm. Epha = Vphadm Ipha1 V 1 cos 1 cos0,7 treã Ipha HÌNH H6.0: Đặc tuyến tải hay đặc tuyến ngoài. V Ipha Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát. Tương ứng với mỗi loại tải, khi dòng tải tăng độ lớn độ thay đổi điện áp cũng gia tăng. Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm tạo độ thay đổi điện áp lớn hơn so với trường hợp tải thuần trở. Tại lúc này áp pha V pha E hay pha V V. pha pha dm Điều này cho thấy tác dụng khử từ thông kích thích bởi từ thông ứng theo phản ứng phần ứng. Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính dung tạo sự thay đổi điện áp sao cho V E pha pha hay V V. Điều này dẫn đến kết quả V 0, kết quả này có thể tìm thấy trong các thí dụ pha pha dm 6.3 đến 6.5. Tính chất này cho thấy tác dụng trợ từ thông kích thích bởi từ thông ứng theo phản ứng phần ứng. Tóm lại khi vận hành máy phát nếu chỉ duy trì tần số không đổi và không điều chỉnh thay đổi dòng kích thích; áp trên tải sẽ thay đổi khi dòng tải thay đổi.

52 04 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TUYẾN ĐIỀU CHỈNH: Ikto Ikt I kto Ipha1 HÌNH H6.1: Đặc tuyến điều chỉnh. cos 0,7 treã cos 1 cos 0,7 sôùm Ipha Taêng Ikt Giaûm I kt Ipha Với các phân tích về đặc tuyến tải như trên, muốn điện áp cấp đến tải luôn luôn duy trì bằng giá trị định mức khi tải thay đổi độ lớn và tính chất ta cần điều chỉnh thay đổi dòng kích thích để giữ được áp cấp đến tải luôn bằng giá trị định mức. Biện pháp này được gọi là điều chỉnh kích thích. Đặc tuyến điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ giữa dòng pha I pha qua tải theo dòng điện kích I kt cấp vào phần cảm để áp pha trên tải luôn bằng giá trị định mức. Trong hình H6.1 trình bày đặc tuyến điều chỉnh với 3 dạng tải: thuần trở, tính cảm với HSCS 0,7 trễ, tính dung với HSCS 07 sớm. Khi chưa cấp tải vào dây quấn phần ứng của máy phát, dòng kích thích được chỉnh để đạt sức điện động pha bằng áp pha định mức của máy phát. Giá trị dòng kích thích nqày là I kto. Tương ứng với tải thuần trở hay tính cảm, khi dòng tải tăng để duy trì áp pha luôn bằng định mức độ lớn dòng kích thích được điều chỉnh tăng Với cùng giá trị dòng tải, tải có tính cảm cần tăng dòng kích thích nhiều hơn so với trường hợp tải thuần trở. Ngược lại với tải có tính dung cần giảm dòng kích thích khi dòng tải gia tăng. Đặc tính điều chỉnh cho ta các dữ liệu cần thiết để điều chỉnh thay đổi dòng kích thích khi tải thay đổi. Đặc tính này là cơ sở để thực hiện các bộ tự động điều chỉnh kích thích máy phát bằng linh kiện bán dẫn (mạch AVR: Automatic Voltage Regulator) QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ : Trong quá trình vận hành thực tế máy phát điện đồng bộ: nguồn áp một chiều cấp vào phần cảm không sử dụng từ nguồn áp một chiều bên ngòai. Phương pháp kích thích độc lập (dùng nguồn DC ngoài cấp vào phần cảm) chỉ thực hiện trong quá trình chế tạo, vận hành thử trong quá trình sản xuất, hoặc trong các trường hợp thử nghiệm lấy thông số đặc tính của máy phát, hay cần vận hành thử máy phát lần đầu tiên sau quá trình sửa chửa Khi bắt đầu vận hành máy phát điện, chúng ta cần thực hiện giai đọan tự kích cho máy phát. Quá trình tự kích là quá trình sử dụng sức điện động dư E dư sinh ra do từ trường dư trong phần cảm để cung cấp trở lại năng lượng ban đầu cho phần cảm, làm tăng dần điện áp phát ra trên phần ứng. Mạch điện đơn giản mô tả quá trình tự kích cho máy phát điện được trình bày trong hình H6.. Khi dùng mô hình máy phát điện dùng máy phát kích từ đầu trục (trường hợp máy phát kích từ trực tiếp được khảo sát tương tự), sức điện động trên một pha của phần ứng máy phát được cấp vào dây quấn phần cảm thông qua mạch chỉnh lưu dùng biến đổi dòng điện điện xoay chiều thành một chiều. Dòng điện kích thích được điều chỉnh bằng biến trở VR. Theo lý thuyết, sức điện động trên mỗi pha phần ứng máy phát ( E pha ) và dòng kích thích ( I kt ) quan hệ với nhau thông qua đặc tuyến không tải.

53 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 05 HÌNH H6.: Sơ đồ nguyên lý thực hiện quá trình tự kích máy phát điện đồng bộ. Giả sử khi hình thành được E pha, giá trị E pha sau khi chỉnh lưu thành điện áp một chiều V kt cấp vào phần cảm và hình thành dòng kích thích I kt qua phần cảm. Phương trình cân bằng áp của mạch phần cảm là : V (R VR).I (6.31) DC kt kt Trong đó R kt : điện trở dây quấn phần cảm; VR : biến trở điều chỉnh dòng kích thích Nếu bỏ qua ảnh hưởng của điện trở nội dây quấn phần ứng và điện kháng đồng bộ dọc trục, sức điện động hiệu dụng pha ở ngõ vào mạch chỉnh lưu và áp một chiều trên ngõ ra của mạch chỉnh lưu quan hệ nhau thông qua hệ số chỉnh lưu K CL. Ta có quan hệ : V K.E (6.3) DC CL pha Từ các quan hệ (6.31) và (6.3) suy ra đặc tuyến volt ampere mạch kích thích: E pha R kt VR I K CL kt (6.33) Như vậy, sức điện động pha E pha sinh ra lúc không tải thỏa quan hệ (6.33) và đồng thời E pha cũng quan hệ với dòng kích thích I kt theo đặc tuyến không tải. Tóm lại điểm làm việc của máy phát được xác định tại giao điểm của hai đặc tuyến này, xem hình H6.3. DIỄN TIẾN CỦA QUÁ TRÌNH TỰ KÍCH Khi động cơ sơ cấp đã quay đạt tốc độ ổn định và có giá trị bằng đúng định mức, đóng kín mạch kích thích theo sơ đồ nguyên lý hình H6.. Sức điện động dư xuất hiện trong dây quấn phần ứng, quá trình bắt đầu bắt đầu khảo sát tại vị trí 1 trong hình H6.4.Với giá trị này đủ hình thành dòng điện kích thích qua phần cảm có giá trị là I kt1 (điểm trên hình H6.4). Khi mạch kích thích có dòng đi qua đạt giá trị là I kt1, theo đặc tuyến không tải sức điện động pha phải có giá trị là E pha1 (điểm 3 trên hình H6.4). Bây giờ giá trị E pha 1 > E dư.

54 06 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 E pha E pha E pha1 1 E pha dö E pha khoâng taûi 3 Ñaëc tuyeán khoâng taûi Ikt1 5 Ikt Ñieåm laøm vieäc khoâng taûi 4 7 Ñaëc tuyeán volt ampere maïch kích thích I kt khoâng taûi HÌNH H6.3: Các đặc tuyến trình bày quá trình tự kích. 6 Quá trình tiếp diễn tương tự tại các điểm 4 và 5.. Ta có thể xem quá trình tự kích có dạng của quá trình hồi tiếp dương, tuy nhiên khi hai đặc tuyến cắt nhau, tại vị trí này hệ thống kích thích sẽ ổn định và hình thành sức điện động pha không tải tương ứng với dòng kích thích không tải của máy phát. Qua quá trình tự kích chúng ta rút ra các nhận xét như sau : Sức điện động pha không tải phụ thuộc giá trị dòng kích thích không tải, gián tiếp phụ thuộc điện trở VR mắc nối tiếp dây quấn phần cảm. Khi thay đổi VR, chúng ta thay đổi được giá trị sức điện động pha phát ra lúc không tải. Mặc khác, điều chỉnh thay đổi điện áp V dc lấy ra sau mạch chỉnh lưu cũng có thể thay đổi dòng kích thích và sức điện động E pha không tải. Khi điện trở VR quá lớn làm tăng độ dốc của đặc tuyến R VR kt E I, có thể đưa pha kt K CL đến các tình trạng như sau: Hai đặc tuyến không cắt nhau (khi giá trị E dư quá bé) hay hai đặc tuyến cắt nhau tại vị trí cho giá trị sức điện động pha rất thấp. Giá trị VR lớn nhất làm cho hai đặc tuyến tiếp xúc nhau gọi là điện trở tới hạn của điện trở VR trong mạch kích thích MỘT SỐ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH TRONG TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ : I kt HÌNH H6.4: Tổ máy phát dùng động cơ Diesel làm động cơ sơ cấp. Nguyên lý điều chỉnh thay đổi VR và V DC cấp vào phần cảm xem là nguyên lý cơ bản để tạo thành hệ thống tự động điều chỉnh thay đổi kích thích cho máy phát điện khi vận hành mang tải. Trong hình H6.4 trình bày kết cấu của một tổ máy phát điện dùng động cơ sơ cấp là động cơ Diesel. Trong hình H6.5 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh lượng nhiên liệu để ổn định tốc độ và duy trì tần số máy phát không thay đổi khi mang tải.

55 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 07 GOVERNOR (maïch ñieän töû ñieàu khieån caáp nhieân lieäu) ACTUATOR (boä ñieàu tieát nhieân lieäu baèng ñieän) MAGNETIC PICKUP (caûm bieán toác ñoä daïng töø tính) HÌNH H6.5: Mạch điện tử và cơ cấu chấp hành dùng điều tiết nhiên liệu để ổn định tốc độ động cơ sơ cấp duy trì tần số nguồn áp phát ra không thay đổi.

56 08 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 HÌNH H6.6: Mạch AVR tự động điều chỉnh kích thích Trong hình H6.6 trình bày mạch điện tử dùng điều chỉnh dòng kích thích để ổn định điện áp máy phát trên phần ứng khi tải thay đổi. Mạch AVR có hai chức năng: vừa thực hiện quá trình tự kích khi thành lập điện áp ban đầu lúc vận hành máy phát và tự động điều chỉnh dòng kích thích HIỆU SUẤT VÀ PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG : Khi vận hành máy phát, ta có các thành phần công suất tác dụng sau: P 1 : công suất cơ của động cơ sơ cấp dùng quay máy phát điện. P mq : tổn hao ma sát cơ khí trên hệ thống ổ bi, quạt gió. Với máy phát điện có tần số không đổi, tốc độ quay n 1 không đổi. Như vậy thành phần tổn hao này không đổi, vì tùy thuộc vào tốc độ quay n 1 của hệ thống. P thép : tổn hao trên lỏi thép do dòng xoáy và từ trễ. P J : tổn hao đồng trên các dây quấn phần ứng và kích thích do tác dụng Joule. P 3.R.I R.I (6.34) J pha pha kt kt P : công suất tác dụng cung cấp đến phụ tải.

57 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 09 Hiệu suất của máy phát xác định theo quan hệ sau: Trong đó: P P P P Toån hao 1 (6.35) Toån hao = P P P (6.36) mq theùp J THÍ DỤ 6.6: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha S = 500 KVA, 300 V (àp dây); dây quấn stator đấu Y; Chúng ta tiến hành các phép thử máy phát và ghi nhận các kết quả như sau: THỬ KHÔNG TẢI: Dòng kích thích I kt = 5 A, sức điện động dây trên phần ứng là E d = 1408V. THỬ NGẮN MẠCH: Dòng kích thích I kt = 5A ; dòng ngắn mạch qua dây quấn là I n = 16A. ĐO ĐIỆN TRỞ MỘT CHIỀU CỦA DÂY QUẤN STATOR: Cấp nguồn áp một chiều 8V vào đầu bộ dây đấu Y stator, dòng một chiều ghi nhận là 10A. Biết điện trở xoay chiều bằng 1,5 lần điện trở một chiều. Xác định: a./ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng khi máy phát tải định mức, cho hệ số công suất tải là cos = 0,866 trễ. b./ Suy ra độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải, GIẢI: a/ Sức điện động pha của dây quấn phần ứng máy phát điện: Từ thí nghiệm không tải suy ra sức điện động pha tại dòng kích thích I kt = 5A là: Ed 1408 E 81,91 V pha 3 3 Trong thí nghiệm ngắn mạch vì duy trì đòng điện kích thích cấp vào phần cảm bằng 15A, nên sức điện động E pha bằng giá trị sức điện động pha lúc không tải. Dựa vào thí nghiệm ngắn mạch suy ra tổng trở đồng bộ của mỗi pha. Epha 81,91 Z 3,7635 S I 16 n Từ phép đo điện trở một chiều, suy điện trở một pha dây quấn theo cquan hệ V 8 DC R 0,4 phadc.i.10 DC Giá trị của điện trở pha khi vận hành trong nguồn áp xoay chiều: R 1,5.R 1,5 0,4 0,5 phaac phadc Thành phần điện kháng đồng bộ X s của mỗi pha là : X Z R 3,7635 0,5 3,73 S S phaac

58 10 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 Khi máy phát điện mang tải định mức, ta có: Áp pha định mức cấp đến tải là : V pha ñm Vdaây ñm ,9 V 3 3 Hệ số công suất tải cos = 0,866 trễ ; suy ra sin = 0,5. Dòng định mức cấp đến mỗi pha tải là : I pha ñm S ñm 3.U daây 15,51 A Sức điện động pha dây khi máy phát mang tải đúng định mức tại tải có hệ số công suất cos = 0,866 trễ. pha E 137,9 0,866 0,5 15,51 137,9 0,5 3,73 15,51 Epha 1659 V b/ Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải: Từ gía trị sức điện động pha tìm trong câu a, suy ra phần trăm thay đổi điện áp khi mang tải theo quan hệ sau: E V pha pha dm ,9 U% ,94% V 137,9 pha dm THÍ DỤ 6.7: Cho máy phát điện đồng bộ 3 pha : 1600 kva, V ; 60 Hz ; dây quấn stator đấu Y có đặc tuyến không tải ghi nhận trong bảng số liệu sau: E dây [kv] 6,5 9,0 11,0 1, 13,4 14,0 14,5 I kt [A] Khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A. Giả sử điện trở dây quấn phần ứng không đáng kể (R pha = 0 Ω), tìm phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát tải định mức cho tải có HSCS = 0,8 trễ. GIẢI: Từ bảng số liệu đặc tuyến không tải cho trong đầu đề, ta vẽ được đặc tuyến không tải mô tả quan hệ sức điện động dây không tải E dây theo dòng kích thích, xem hình H6.7. Từ đồ thị đặc tuyến không tải, khi I kt = 186 A ta có sức điện động là E dây = V. Suy ra sức điện động pha tại I kt = 186 A là: E day E 599, ,9 V pha 3 3 Dòng điện định mức của máy phát: S ñm I 83,978 83,98 A pha ñm 3.V daây

59 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 11 HÌNH H6.7: Đặc tuyến không tải của máy phát Theo giả thiết khi máy bị ngắn mạch và phát dòng định mức, dòng kích từ bằng 186 A, sức điện động pha là E pha = 599,9 V. Nếu điện trở dây quấn phần ứng không đáng kể (R pha = 0 Ω) ta suy ra điện kháng đồng bộ của mỗi pha theo quan hệ sau: E 599,9 pha X 71,361 s I 83,98 dm pha Điện áp pha định mức là: Vday dm V 6350, ,85 V pha dm 3 3 Khi máy phát tải định mức với tải có HSCS = 0,8 trễ, sức điện động pha lúc mang tải là: pha E 6350,85 0,8 6350,85 0,6 71,361 83, ,74 V Phần trăm thay đổi điện áp: E V pha pha dm 11041, ,85 U% ,86% V 6350,85 pha dm

60 1 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 THÍ DỤ 6.8: HÌNH H6.8 GIẢI: Cho máy phát đồng bộ 3 pha : 5 kva ; 0 V ; 50 Hz, tổng trở đồng bộ mỗi pha là: Z s = 0,1 + 0,6 j [/pha]. tải là Tải 3 pha cân bằng đấu Y, tổng trở pha của Zp 1,5 1,5j [ ]. a./ Sức điện động pha khi mang tải với áp tải bằng định mức: Epha HÌNH H6.9 ZS 0,1 0,6j Ipha Z p Z p Z p Zp 1,5 1,5j Suy ra sức điện động pha hiệu dụng là: Vpha a./ Nếu áp dây tải bằng định mức tính sức điện động pha hiệu dụng của máy phát b./ Nếu đấu một bộ 3 tụ C F song song với tải và áp dây tải bằng định mức tính phần trăm thay đổi điện áp của máy phát. Mạch tương đương 1 pha khi mang tải trình bày trong hình H6.9. Áp dụng cầu phân áp ta có quan hệ sau đây: E E E pha pha pha ZS Z p Vpha dm Z p 0,1 0,6j 1,5 1,5j V 1,5 1,5j 1,6 1,85j V 1,5 1,5j 1,6 1,85j,4469 E Epha Vpha dm V pha pha dm 1,5 1,5j 1,9556 pha dm pha dm 0 E 1, , V pha 3 b./ Phần trăm thay đổi điện áp khi đấu song song tụ C với tải: Dung kháng của tụ C: jx C j Zp 1,5 1,5j X C 5.f.C HÌNH H Mạch tương đương 1 pha của tải trình bày trong hình H6.30, tổng trở phức tương đương của tải là : Z td o j 1,5 1,5j Z 1,5 1,5j,5j 1,5 1,5j 1, jx Zp C,5 3j 3, p jx C 0 Ztd ,967 0,3607j Áp dụng cầu phân áp suy ra sức điện động pha khi mang tải tại áp định mức.

61 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 6 13 E pha Z 3 ZS Ztd 0,1 0,6j 1,967 0,3607j 0 Vpha dm 0 td Suy ra:,067 0,393j 0 Epha ,067 0,393j 0,081 0 E Epha 13,16 V pha Phần trăm thay đổi điện áp: 0 13,16 E V pha pha dm U% ,05% V 0 pha dm 3 BÀI TẬP 6.1 BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Cho máy phát đồng bộ 3 pha : 100 kva, 1100 V, 50 Hz đấu Y được thử nghiệm và có kết quả như sau: THỬ KHÔNG TẢI : lkt 1,5 A ; Edaây 40 V THỬ NGẮN MẠCH : l 1,5 A ; I kt n I dm ĐIỆN TRỞ XOAY CHIỀU ĐO GIỮA ĐẦU RA : 0,9 ; a./ Tổng trở đồng bộ của mỗi pha. b./ Tính phần trăm độ thay đổi điện áp khi máy phát công suất định mức cho tải có hệ số công suất lần lượt bằng : 0,8 trễ ; 0,8 sớm. ĐÁP SỐ: BÀI TẬP 6. Khi dòng kích từ 10 A qua dây quấn kích thích của máy phát đồng bộ 3 pha, dòng ngắn mạch qua dây quấn phần ứng là 150 A. Với dòng kích từ này sẽ tạo ra sức điện động dây 70 V lúc vận hành máy phát không tải. Biết điện trở dây quấn stator không đáng kể Xác định độ thay đổi điện áp khi máy phát áp định mức và dòng qua tải là 60 A. ĐÁP SỐ: BÀI TẬP 6.3 Cho động cơ không đồng bộ 3 pha: 100 kva; 30 V ; đấu Y có điện kháng đồng bộ là 1, / pha và điện trở dây quấn phần ứng là 0,5 / pha. a./ Tính phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát công suất định mức cho tải có HSCS = 0,8 trễ. b./ Tính lại V% khi máy phát cấp áp định mức và có hệ số tải K t = 0,8, tải có HSCS = 0,707 trễ. ĐÁP SỐ:

62 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 15 CHƯƠNG 07 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.1.CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH : HÌNH H 7.1: Phần cảm(stator) máy điện một chiều. Máy điện một chiều là danh từ dùng gọi chung cho máy phát hay động cơ một chiều. Máy phát và động cơ có cấu tạo giống hệt nhau; nói một cách khác máy phát và động cơ một chiều có tính thuận nghịch. Có thể hiểu một cách đơn giản: khi dùng động cơ sơ cấp quay động cơ một chiều, động cơ thực hiện tính năng của máy phát điện; hoặc khi cung cấp điện năng vào dây quấn phần ứng và phần cảm của máy phát một chiều, máy phát thực hiện tính năng của động cơ điện. Máy điện một chiều gồm có 3 thành phần : PHẦN CẢM: là stator của máy điện, có nhiệm vụ tạo ra từ trường kích thích một chiều. Phần cảm được hình thành từ các lá thép ghép, cực từ dạng cực từ lồi với dây quấn dạng tập trung. Hình dạng của phần cảm trình bày trong hình H7.1và trong hình H7. trình bày kết cấu của mạch từ với đường sức từ trường phần cảm phân bố trong lỏi thép stator. PHẦN ỨNG: là phần quay (rotor) của máy điện một chiều. Tùy thuộc vào chế độ làm việc của máy điện là máy phát hay động cơ, phần ứng thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Phần ứng được hình thành do sự lắp ghép các lá thép kỹ thuật điện tạo thành khối trụ, trên mỗi lá thép có dập răng rãnh để bố trí dây quấn. Hình dạng của phần ứng được trình bày trong hình H7.3

63 16 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Âæåìng sæïc tæì træåìng hçnh thaình do dáy quáún pháön caím Rotor (pháön æïng) Dáy quáún pháön caím Cæûc tæì stator Khi máy điện một chiều họat động theo chế độ máy phát, khi động cơ sơ cấp quay phần ứng trong từ trường phần cảm: các thanh dẫn trên phần ứng sẽ di chuyển và cắt đường sức từ trường phần cảm tạo nên sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần ứng. Khi máy điện một chiều họat động theo chế độ động cơ, khi cấp dòng một chiều qua dây quấn phần ứng, các thanh dẫn mang dòng điện này đặt trong từ trường phần cảm sẽ chịu tác động của các lực điện từ, sinh ra ngẩu lực làm quay phần ứng. HÌNH H 7.: Stator máy điện một chiều có p = 6 cực HÌNH H 7.3: Phần ứng (rotor) máy điện một chiều. CỔ GÓP VÀ HỆ THỐNG CHỔI THAN : Tương tự như phần quay của máy phát điện đồng bộ, để nhận được dòng một chiều trên phần ứng (trường hợp máy phát), hay cung cấp được dòng một chiều vào dây quấn phần ứng (trường hợp động cơ) lúc rotor quay, ta cần đến hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp được ghép từ các phiến góp làm bằng đồng xếp tròn liên tiếp nhau thành một khối hình trụ, các phiến góp được phân cách nhau bằng lớp mica cách điện, xem hình H7.4.

64 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 17 låïp caïch âiãûn Phiãún goïp bàòng âäöng Hçnh daûng cäøgoïp âæåüc càõt ra âãø tháúy cáúu taûo bãn trong HÌNH H 7.4: Cấu tạo của cổ góp. Hçnh daûng cäø goïp Hçnh daûng phiãún goïp HÌNH H 7.5: Cấu tạo của máy điện một chiều ĐẶC TÍNH ROTOR MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU : SỰ HÌNH THÀNH MẠCH NHÁNH SONG SONG TRÊN DÂY QUẤN PHẦN ỨNG : HÌNH H b c a 1 d 3 Xét rotor có 8 rãnh và cổ góp chứa 8 phiến góp. Khi quấn dây trên phần ứng ta bắt đầu quấn một bối dây từ rãnh 1 sang rãnh 4. Đầu dây a của bối dây này được nối đến phiến góp 1 Đầy dây b của bối dây thứ nhứt được nối đến phiến góp. Khi bắt đầu quấn bối dây thứ nhì, đầu c của bối dây này nối chung với đầu ra b của bối dây thứ nhứt tại phiến góp. Đầu ra d của bối thứ nhì được nối đến phiến góp 3.

65 18 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Maïch nhaùnh song song 1 Maïch nhaùnh song song HÌNH H7.7: Hình vẽ mô tả hai nhánh song song trên phần ứng Chúng ta thực hiện phương pháp bố trí dây quấn tương tự như vừa trình bày cho đến khi hết 8 rãnh. Trên rotor có 8 bối dây, đầu ra của bối cuối cùng sẽ chung với đầu dây a của bối đầu tiên trên phiến góp 1. Sơ đồ bố trí các bối dây trên rotor và các đầu ra trên 8 phiến góp trình bày trong hình H7.7. Khi đặt hai chổi than để cấp dòng điện vào phần ứng ( khi máy điện họat động theo chế độ động cơ) hay khi đưa ra dòng điện cấp đến tải (khi máy điện là máy phát điện); chúng ta tìm thấy được dây quấn trên phần ứng có hai nhánh song song. Một cách tổng quát, dây quấn trên phần ứng máy điện một chiều luôn luôn có hai nhánh song song, hay bội số của hai nhánh song song. Gọi a là số nhánh song song bố trí trên phần ứng. 7.. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU : QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ : Để đơn giản quá trình khảo sát, giả sử trên rotor máy điện một chiều chỉ chứa một khung dây gồm hai thanh dẫn và cổ góp chỉ có hai phiến góp. Đây là mô hình đơn giản nhất của máy điện một chiều. Quá trình điện từ được diễn ra theo trình tự sau: Đầu tiên cấp dòng một chiều I kt vào dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) để tạo từ trường phần cảm. Từ trừơng này được đặc trưng bằng vector cảm ứng từ B. Dùng động cơ sơ cấp quay phần ứng với tốc độ quay là n [vòng/phút]. Một thanh dẫn trên phần ứng có vận tốc dài v (do động cơ sơ cấp làm quay phần ứng).

66 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 19 Do tác động của động cơ sơ cấp, thanh dẫn trên phần ứng di chuyển với vận tốc v cắt đường sức từ trường B của phần cảm ; như vậy trên mỗi thanh dẫn hình thành sức điện động cảm ứng e. Quá trình điện từ khi vận hành ở chế độ máy phát được tóm tắt trong hình H7.9. F N.I kt kt kt kt e B.l.v HÌNH H7.9: Sơ đồ khối tóm tắt quá trình điện từ của máy phát điện DC BIỂU THỨC CỦA SỨC ĐIỆN ĐỘNG TRÊN PHẦN ỨNG MÁY PHÁT ĐIỆN DC : Gọi: N là tổng số thanh dẫn chứa trên phần ứng, số mạch nhánh song song trên phần ứng là N a. Như vậy, tổng số thanh dẫn trên mỗi mạch nhánh song song là:. Sức điện động trên a tòan bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau N E.e a (7.1) Trong đó e là sức điện động tạo bời một thanh dẫn có bề dài l di chuyển với vận tốc dài v trong từ trường B tạo bời phần cảm, ta có: e B..v (7.) Gọi D là đường kính của phần ứng, l là bề dài của phần ứng. Từ (7.), ta có: D e B..v B...(.n) (7.3) Với p : số cực của động cơ, quan hệ (7.3) có thể viết lại như sau:.d. e B..p.(n) p Gọi : bước cực từ của phần ứng, ta có thể ghi : e (7.4) B.(.l).pn (7.5) Gọi là từ thông kích thích qua một cực từ, quan hệ (7.5) có thể viết lại như sau : e.pn (7.6). kt

67 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Tóm lại, sức điện động cảm ứng tạo ra do một thanh dẫn phần ứng được xác định theo quan hệ (7.6); thế quan hệ này quan hệ (7.1) suy ra sức điện động trung bình E tạo bởi toàn bộ dây quấn phần ứng. Đặt: N N p.n E.e.p..n ( )..n (7.7) K E kt a a a p.n (7.8) a K E : hằng số cấu tạo phần ứng. Tóm lại: kt E K..n (7.9) E kt PHÂN LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN DC: Tùy thuộc vào phương pháp cấp nguồn cho dây quấn kích thích (phần cảm) của máy phát, chúng ta có thể phân lọai máy phát một chiều theo các dạng sau: MÁY PHÁT KÍCH TỪ ĐỘC LẬP: phần cảm được cung cấp bằng nguồn DC độc lập với nguồn điện DC phát ra từ phần ứng. MÁY PHÁT KÍCH TỪ SONG SONG: phần cảm đấu song song với phần ứng. Trong trường hợp này muốn máy phát sinh ra được điện áp, máy phát cần thỏa mản các điều kiện tự kích. MÁY PHÁT KÍCH TỪ NỐI TIẾP: phần cảm đấu nối tiếp với phần ứng. Trong trường hợp này máy chỉ phát ra điện năng khi đang mang tải, trường hợp không mang tải máy không thể phát ra điện năng. MÁY PHÁT KÍCH TỪ HỔN HỢP: với lọai máy phát này trên stator có hai bộ dây quấn kích thích ; một bộ dây đấu song song với phần ứng và bộ dây kích thích còn lại đấu nối tiếp với phần ứng. Trong trường hợp kích từ hổn hợp, tùy theo sơ đồ đấu dây, ta có máy phát kích tứ hổn hợp mắc rẽ dài hay rẽ ngắn. Ngòai ra tùy theo tính chất thuận từ hay nghịch từ của các thành phần dây quấn kích thích ta có máy phát kích từ hổn hợp cộng hay hổn hợp trừ MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP : MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP : + Vkt Ikt Rkt Rf Iu + HÌNH H7.10 Vt Rt Ru + E kt f kt kt V kt : điện áp kích thích cung cấp cho phần cảm. R f : điện trở của dây quấn kích thích. R kt : biến trở kích từ, nối tiếp với dây quấn phần cảm để điều chỉnh thay đổi dòng điện kích thích. R ư : điện trở nội của dây quấn phần ứng E : Sức điện động sinh ra ở hai đầu phần ứng. Mạch tương đương của máy phát điện DC kích từ độc lập trình bày trong hình H7.10. Các phương trình cân bằng áp của mạch phần cảm và phần ứng máy phát kích từ độc lập là : V R R I (7.10) E V R.I (7.11) t ö ö E K..n (7.1) E kt

68 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CÁC ĐẶC TUYẾN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DC : Đôi với máy phát điện một chiều, chúng ta quan tâm đến các đặc tuyến: ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI E = f(i kt ) : là đồ thị hay đường biểu diển mô tả quan hệ giữa sức điện động E sinh ra trên hai đầu phần ứng với dòng điện kích thích I kt qua dây quấn phần cảm. ĐẶC TUYẾN TẢI (HAY ĐẶC TUYẾN NGOÀI) (U = f (I TẢI )): đồ thị mô tả quan hệ giữa điện áp U t trên hai đầu tải theo dòng điện I t cung cấp trên tải. Các đặc tuyến được trình bày trong hình H7.11. HÌNH H7.11: Các đặc tuyến của máy phát điện một chiều ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DC: Khi khảo sát đường đặc tuyến không tải của máy phát điện một chiều, chúng ta cần chú ý đến 3 tính chất sau đây: TÍNH CHẤT 1: Đường đặc tính không tải có dạng đường cong từ hóa B=f(H) của vật liệu sắt từ cấu tạo nên mạch từ của máy phát. Gọi F kt là sức từ động tạo nên do dòng điện kích thích qua dây quấn phần cảm, ta có quan hệ sau: F N.I H. (7.13) kt kt kt tb Trong đó: H : cường độ từ trường của vật liệu sắt từ tạo nên mạch từ của máy phát. : bề dài đường sức trung bình qua mạch từ. tb Trong (7.13), khi tính gần đúng bỏ qua ảnh hưởng của khe hở không khí giữa rotor và stator (giữa phần cảm và phần ứng của máy phát). Ta có: tb I.H kt N kt (7.14) Từ quan hệ (7.14), ta có dòng điện kích thích tỉ lệ với cường độ từ trường H. Ngoài ra chúng ta còn có quan hệ sau: E kt E E K..n K. A.B.n (7.15)

69 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Trong đó: B : từ cảm cực đại (hay mật độ từ thông) trong mạch từ. A : Tiết diện của một cực từ. Tóm lại, sức điện động E sinh ra tỉ lệ thuận mật độ từ thông B. Như vậy, đặc tuyến không tải có dạng đường cong từ hóa B= f(h), vì E tỉ lệ với từ cảm B và dòng I kt tỉ lệ với cường độ từ trường H. TÍNH CHẤT : Do tính chất của từ trường dư dư tồn tại trong mạch từ, khi động cơ sơ cấp quay kéo phần ứng với tốc độ n, mặc dù chưa cấp nguồn điện vào dây quấn phần cảm; trên hai đầu phần ứng vẫn xuất hiện một sức điện động có giá trị rất thấp. Chúng ta gọi sức điện động này là sức điện động sinh ra do từ trường dư, và ký hiệu là E dư. TÍNH CHẤT 3: Do đường đặc tính không tải có dạng đường cong từ hóa B= f(h) của vật liệu sắt từ cấu tạo nên mạch từ máy phát; chúng ta chia đặc tuyến này thành ba vùng (hay 3 khu vực). KHU VỰC TUYẾN TÍNH (HAY KHU VỰC CHƯA BẢO HOÀ): trong vùng này giá trị của sức điện động E tỉ lệ thuận với dòng điện kích thích I kt qua dây quấn phần cảm. KHU VỰC CHUYỂN TIẾP (HAY KHU VỰC ĐẦU KHUỶU BẢO HÒA): trong khu vực này giá trị của sức điện động E bắt đầu tăng chậm tương ứng với sự tăng nhanh các giá trị của dòng kích thích I kt. Quan hệ của E theo I kt bắt đầu không tỉ lệ theo quan hệ bậc nhất tuyến tính nữa. KHU VỰC BẢO HÒA (HAY KHU VỰC PHI TUYẾN): trong khu vực này tốc độ thay đổi của giá trị E rất chậm tương ứng với tốc độ thay đổi rất lớn giá trị của dòng kích thích I kt (xem hình H7.11:). Dựa vào các tính chất nêu trên, khi giải các bài toán máy phát trong điều kiện tuyến tính (mạch từ chưa bảo hòa) chúng ta có thể áp dụng phương pháp tính tỉ lệ hay phương pháp lập tỉ số (qui tắc tam suất ). Ngược lại trong trường hợp máy phát hoạt động trên khu vực chuyển tiếp hay khu vực bảo hòa, khi tính toán chúng ta phải dựa hoàn toàn vào đường đặc tuyến không tải của máy phát; phương pháp giải toán thường được sử dụng là phương pháp đồ thị. THÍ DỤ 7.1: Cho máy phát điện DC kích từ độc lập, có sức điện động E = 151V khi vận tốc động cơ sơ cấp kéo máy phát là n = 1450 vòng/phút và dòng kích thích bằng,8a. Nếu mạch từ chưa bảo hòa, xác định sức điện động E: a./ Khi dòng kích thích bằng,4a tại vận tốc của động cơ sơ cấp là 1450 vòng/phút. b./ Khi dòng kích thích bằng A tại vận tốc của động cơ sơ cấp là 1600 vòng/phút. GIẢI: Với điều kiện mạch từ chưa bảo hòa, ta có thể xác định các thông số của phần ứng tại từng trạng thái như sau: TRẠNG THÁI E [V] N [ vòng/phút] I kt [A] ,8 E 1450,4 3 E Áp dụng phương pháp lập tỉ số, chúng ta lần lượt suy ra các kết quả như sau:

70 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 3 a./ Sức điện động E khi : I ktr =,4A và n = 1450 vòng/phút. Suy ra: E n I n kt kt.. E n I n 1 kt1 1 kt1 1 I n kt E..E 1 I n kt1 1, E ,43V, Tóm lại, tại trạng thái, khi duy trì tốc độ quay không đổi và giảm dòng kích thích, sức điện động trên hai đầu phần ứng giảm đến giá trị E = 19,43V. n./ Sức điện động E khi : I ktr = A và n = 1600 vòng/phút Tính tương tự như trên, ta có: I n kt3 3 E..E 3 1 I n kt E V 3, Tóm lại, tại trạng thái 3 khi thay đổi tốc độ quay động cơ sơ cấp và thay đổi dòng kích thích, sức điện động trên hai đầu phần ứng thay đổi và có giá trị E = 119V. THÍ DỤ 7.: Cho máy phát điện một chiều kích từ độc lập, đặc tuyến không tải cho trong đồ thị sau (xem hình 5.10). Các thông số định mức của máy phát điện như sau: Công suất định mức: P đm = 400 kw. Điện áp định mức: V đm =00V. Điện trở dây quấn phần ứng : R ư = 0,003. Điện trở dây quấn kích thích: R kt = 10,4. Bảng số liệu xác định từ thí nghiệm không tải ứng với tốc độ động cơ sơ cấp 900 vòng/phút ghi nhận như sau: I kt [A] E [V] I kt [A] E [V] I kt [A] E [V] Xác định: a./ Dòng điện kích thích khi sức điện động trên phần ứng là E = 00V ; tốc độ quay của động cơ sơ cấp là n = 900 vòng/phút. b./ Vẽ lại đặc tuyến không tải khi tốc độ quay của động cơ sơ cấp là 750 vòng/phút. c./ Dòng điện kích thích để tạo ra sức điện động E = 00V khi tốc độ quay động cơ sơ cấp là 750 vòng/phút. d./ Tính lại câu b và c khi tốc độ quay của động cơ sơ cấp là 1000 vòng/phút.

71 4 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 GIẢI: a./ Với số liệu đặc tuyến không tải cho trong đầu đề, ta vẽ và hiệu chỉnh với sai số 0,5% suy ra đặc tuyến không tải tại tốc độ 900 vòng /phút theo hình H7.1, chúng ta rút ranhận xét như sau: Dòng điện kích thích cần cung cấp cho phần cảm có giá trị khỏang i = 15A (hơi nhỏ hơn 15A) để tạo được sức điện động trên phần ứng là E = 00V. Đặc tuyến không tải giữa hai điểm (i = 14A ; E = 195V) và ( i = 16A ; E = 07V) xem như tuyến tính (có dạng đường thẳng). Viết phương trình đường thẳng khi biết trước tọa độ hai điểm nằm trên đường thẳng, ta suy ra quan hệ sau: i 14 kt E Thay thế giá trị E = 00V vào quan hệ vừa thành lập, ta tính được giá trị dòng điện kích thích tương ứng qua dây quấn kích thích : 1 5 i 14 (00 195) 14 kt 6 6 i 14,83A kt HÌNH H7.1: Đặc tuyến không tải máy phát điện DC, tại tốc độ động cơ sơ cấp n = 900 vòng/phút.

72 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 5 b./ Khi giảm tốc độ quay động cơ sơ cấp từ giá trị 900 vòng/phút còn 750 vòng/phút, với cùng một giá trị của dòng kích thích cấp cho phần cảm sức điện động trên phần ứng tỉ lệ thuận với tốc độ quay. Giá trị E giảm thấp khi giảm tốc độ. Gọi E 1 là sức điện động tương ứng với tốc độ quay n 1 = 900 vòng/phút và E là sức điện động tương ứng với tốc độ quay n = 750 vòng/phút. Tại cùng giá trị dòng kích thích, chúng ta có quan hệ sau: E K..n n E kt E K..n n E kt 1 1 Dựa theo bảng trị số của đặc tuyến không tải tại tốc độ quay 900 vòng/phút cho trong đầu đề, suy ra bảng trị số cho đặc tuyến không tải tại tốc độ quay 750 vòng/phút.từ bảng trị số tìm được chúng ta xây dựng đặc tuyến không tải ứng tốc độ động cơ sơ cấp n = 750 vòng/phút (xem hình H7.13). E[V] i[a] HÌNH H7.1: Đặc tuyến không tải của máy phát điện, ứng tốc độ quay của động cơ sơ cấp n = 750 vòng/phút c./ Với kết quả trong câu b; muốn máy phát điện có sức điện động E = 00V khi tốc độ động cơ sơ cấp là n = 750 vòng/phút, ta cần điều chỉnh dòng điện kích thích đến giá trị i kt = A. d./ Xác định lại đặc tuyến khi tốc độ quay động cơ sơ cấp có giá trị 1000 vòng/phút. Thực hiện phương pháp như vừa thực hiện trong câu b và c ta có đặc tuyến không tải cho trong hình H7.13, và có nhận xét như sau: Dòng điện kích thích cần cấp cho phần cảm có giá trị i = 1A (hơi nhỏ hơn 1A) để tạo được sức điện động trên phần ứng là E = 00V. Đọan đặc tuyến không tải giữa hai điểm sau xem như tuyến tính: ( i = 10A ; E = 183,3V) và ( i = 1A ; E = 0,V)

73 6 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Áp dụng phép tính tóan tương tự như trong câu a, ta có quan hệ sau: i 10 kt 1 10 E 183,3 0, 183,3 18,9 Thay thế giá trị E = 00V vào đẳng thức trên, suy ra dòng điện kích thích qua phần cảm:.16,7 i 10 (00 183,3) 10 kt 18,9 18,9 i 11,77A kt E[V] i[a] HÌNH H7.13: Đặc tuyến không tải, ứng với tốc độ động cơ sơ cấp n = 1000 vòng/phút ĐẶC TUYẾN TẢI PHẦN TRĂM ĐỘ THAY ĐỔI ÁP KHI MANG TẢI U %: Khảo sát đặc tuyến tải của máy phát điện một chiều là khảo sát sự chênh lệch giá trị giữa sức điện động E của phần ứng với điện áp V t trên hai đầu tải khi thay đổi dòng qua tải và duy trì không đổi từ thông kích thích tạo bởi phần cảm. Từ quan hệ (7.11) ta có: E V R.I (7.16) t u u Theo quan hệ (7.16); chúng ta có thể kết luận sự chênh lệch giá trị giữa E và V t là do sụt áp trên điện trở nội R ư của phần ứng khi máy phát mang tải. Trong thực tế khi mang tải, dòng tải qua dây quấn phần ứng hình thành từ thông phần ứng, có khuynh hướng làm ảnh hưởng và thay đổi từ trường phần cảm. Sự kiện này làm gia tăng mức chênh lệch giá trị giữa sức điện động E với điện áp V t.

74 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Ukt v B e Ikt Ukt v B e Ikt + v + v - + E - Iu = Ut - Iu Rt HÌNH H7.14: Dòng điện qua phần cảm và phần ứng của máy phát khi không tải và khi mang tải. Trong hình H7.14 trình bày phương pháp hình thành sức điện động trên phần ứng (khi quay phần ứng trong từ trường kích thích tạo bởi phần cảm); cực tính của sức điện động tạo trên hai đầu phần ứng (trên hai chổi than); dòng điện qua tải và dây quấn phần ứng khi máy phát mang tải. Muốn hình dung sự tương tác giữa từ trường phần ứng và phần cảm khi máy phát đang mang tải, chúng ta quan sát các hình vẽ H7.15. Trong đó: HÌNH 7.15 a: phân bố đường sức từ trường phần cảm lúc không tải (I ư = 0) HÌNH 7.15 b: trình bày riêng phân bố đường sức từ trường phần ứng lúc mang tải (I ư 0). HÌNH 7.15 c: Phân bố đường sức trong tòan bộ máy phát khi xét sự tương tác giữa các thành phần từ trường tạo bởi phần cảm và phần ứng lúc máy phát mang tải Khi xét riêng sự phân bố đường sức từ trường phần cảm lúc máy phát không tải, hệ thống đường sức phân bố có tính đối xứng trong mạch từ. Trục đối xứng của hệ thống đường sức từ trường phần cảm (hay trục cực từ phần cảm) là đường thẳng YY (hình H7.15a). đường thẳng thẳng góc với YY được gọi là trung tính hình học. Khi máy phát mang tải, các thanh dẫn trên phần ứng có dòng đi qua, với vị trí các chổi than bố trí trên trung tính hình học, hướng dòng phần ứng qua các thanh dẫn bố trí trên phần ứng xác định như trong hình H7.14 và H7.15b. Dựa vào hướng của dòng phần ứng qua các thanh trên phần ứng, xác định hệ thống đường sức từ trường tạo bởi phần ứng và rát ra nhận xét sau: Hệ thống đường sức từ tổng hợp từ hai hệ thống đường sức của phần cảm và phần ứng có khuynh hướng trợ từ ở một phía mõm cực phần cảm và có khuynh hướng khử từ ở phía còn lại của mõm cực phần cảm. Do ảnh hưởng trên, từ trường phần cảm biến dạng (sái dạng) khi máy phát điện đang mang tải. Sự sái dạng này tùy thuộc vào độ lớn (giá trị) của dòng điện qua tải; nói cách khác sự sái dạng từ trường phần cảm phụ thuộc vào độ lớn của tải. Lúc máy phát mang tải và có sự sái dạng từ trường phần cảm đường trung tính có khuynh hướng xê dịch thay đổi vị trí (quay một góc trong không gian) so với vị trí của đường trung tính hình học xác định lúc ban đầu.

75 8 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 HÌNH H7.15a: Phaân boá töø tröôøng phaàn caûm HÌNH H7.15b: Phaân boá töø tröôøng phaàn öùng HÌNH H7.15c: Phaân boá ñöôøng söùc töø tröôøng trong maùy phaùt khi xeùt töông taùc giöõa töø tröôøng phaàn caûm vôùi töø tröôøng phaàn öùng

76 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 9 Các hậu quả sinh ra do phản ứng phần ứng được tóm tắt như sau: Phản ứng phần ứng làm thay đổi từ trường phần cảm, dẫn đến sự gia tăng độ thay đổi điện áp khi máy phát mang Khi dòng tải có giá trị bé ảnh hưởng của phản ứng phần ứng không đáng kể; nguyên nhân chủ yếu tạo ra độ thay đổi áp là do điện trở R ư của phần ứng. Nếu chổi than đặt trên trung tính hình học, khi máy phát mang tải từ trường phần cảm sái dạng đường trung tính sẽ ở vị trí trung tính vật lý ab (xem hình H7.15c). Các thanh dẫn trên phần ứng nằm trong vùng góc (giới hạn bởi trung tính hình học và trung tính vật lý) có khuynh hướng đổi chiều dòng điện nhưng bên trong thanh dẫn vẫn còn tồn tại sức điện động cảm ứng. Hiện tượng này gọi là sự nghịch lưu làm phát sinh các tia lửa tại vị trí tiếp xúc của chổi than với cổ góp phần ứng. Muốn khắc phục tia lửa, cần hiệu chỉnh lại từ trường phần cảm khi máy phát mang tải bằng cách lắp thêm cực từ phụ và dây quấn bù trên phần cảm. THÍ DỤ 7.3: Cho máy phát điện một chiều kích từ độc lập, có thông số định mức như sau: Công suất định mức P đm = 5 kw Điện áp định mức V đm = 15 V Điện trở phần ứng R ư = 0, a./ Xác định phần trăm thay đổi điện áp khi máy phát đầy tải (bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng). b./ Xác định điện áp đặt ngang qua hai đầu tải, khi máy phát cấp đến tải nửa công suất định mức. GIẢI: a./ Xác định độ sụt áp tại lúc tải định mức: Trong đó: Suy ra: Điện áp trên hai đầu tải khi máy phát đầy tải : V đm = 15 V. Sức phản điện E trên hai đầu phần ứng (lúc máy phát không tải ): E V R.I ñm ö ñm I P 5000 ñm ñm U 15 ñm 40A E 15 0, V Phần trăm độ sụt áp khi mang tải được xác định theo quan hệ sau: E V U% ,4% V b./ Xác định áp V trên tải khi máy phát cấp nửa tải định mức: Pñm 5000 Khi máy phát nửa tải, tương ứng công suất nhận trên tải là: P 500 W Khi không điều chỉnh thay đổi kích thích và tốc độ quay của động cơ sơ cấp, v sức điện động trên phần ứng vẫn duy trì giá trị hiện có là E = 133V. Lúc này, dòng qua tải giảm thấp giá trị so với lúc tải định mức, như vậy áp V trên tải sẽ thay đổi. Ta có các hệ hai phương trình hai ẩn số sau: E V R.I 133 V 0,.I ö ö ö V.I 500 ö

77 30 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Từ hai quan hệ trên suy ra phương trình bậc hai dùng xác định giá trị áp V, ta có: V 0,. V Thu gọn suy ra phương trình bậc : V 133.V Lập biệt số và giải phương trình, suy ra các nghiệm số: V = 19 V hay V = 4V, chọn nghiệm thích hợp cho V là 19 V MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG : Với các máy phát điện công suất lớn, khi áp dụng kích từ độc lập chúng ta cần nguồn một chiều có công suất lớn cấp cho phần cảm; điều này mâu thuẩn khi sử dụng trong thực tế (để máy phát tạo được nguồn một chiều trên phần ứng cấp đến tải, ta phải cần nguồn một chiều độc lập cấp cho phần cảm). Như vậy, có thể xem máy phát kích từ độc lập là dạng máy phát sử dụng trong phòng thí nghiệm hay áp dụng cho các máy phát có công suất nhỏ dùng trong kỹ-thuật đo lường: máy phát tốc (tacho meter)...với các máy phát thường gặp trong thực tế, phần ứng và phần cảm được đấu nối theo phương pháp song song. Tuy nhiên muốn máy phát hình thành được điện áp lúc đầu, máy phát phải thỏa mản các điều kiện tự kích ĐIỀU KIỆN TỰ KÍCH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG: Điều kiện tự kích của máy phát kích từ song song bao gồm 4 điều kiện sau: Trong mạch từ của máy phát phải tồn tại từ trường dư ( dư ). Chiều đấu dây của phần cảm và phần ứng phải phù hợp để gia tăng từ trường của phần cảm trong quá trình tự kích. Chiều quay của động cơ sơ cấp phải tương thích với chiều đấu dây giữa phần cảm với phần ứng và tốc độ quay phải đủ lớn. Nếu trên mạch phần cảm có dùng biến trở điều chỉnh kích từ, trị số biến trở phải đủ nhỏ để hình thành quá trình tự kích ĐIỀU KIỆN TỒN TẠI TỪ TRƯỜNG DƯ: n + B e + Vt - Rt Ikt Iu Ikt = 0 n = 0 E = 0 dæ Iu = 0 HÌNH H7.16: Từ trường dư trong mạch từ của máy phát điện kích từ song song. Giả sử khi máy phát đang họat động cấp nguồn cho tải, dòng điện qua phần cảm hình thành từ thông kích thích; hướng của từ thông kích thích trình bày trong hình H7.16. Khi máy phát ngừng họat động, dòng điện qua phần cảm triệt tiêu nhưng trong mạch từ vẫn tồn tại một lượng từ trường dư trong phần cảm. Hiện tượng tương tự như quá trình nhiểm từ trong lỏi thép non khi từ hóa lỏi thép bằng dòng điện một chiều.

78 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN CHIỀU ĐẤU NỐI DÂY PHẦN CẢM VÀ PHẦN ỨNG: Khi khảo sát chiều đấu nối dây quấn phần cảm và phần ứng, chúng ta giả sử chiều quay của động cơ sơ cấp dùng kéo máy phát duy trì không thay đổi. Trong hình H7.17, ta có các hình vẽ trình bày các trạng thái sau đây: Ikt = 0 dæ kt Ikt = Iu Tæì træåìng pháön caím tråü tæì våïi tæì træåìng dæ dæ Tæì træåìng pháön caím khæí tæì våïi tæì træåìng dæ kt dæ n = 0 n + e Ikt = Iu n + e E = 0 Iu = 0 HÇNH H7.17 a + Vt = V kt - HÇNH H7.17 b Vt + = V kt - HÇNH H7.17 c Hình H7.17 a, trình bày kết cấu của máy phát đang đứng yên không họat động, mạch từ tồn tại từ trường dư. Hình H7.17b, trình bày từ trường phần cảm sinh ra khi máy phát được quay bởi động cơ sơ cấp và hình thành sức điện động. Từ trường phần cảm có tính trợ từ với từ trường dư đang tồn tại trong mạch từ. Hình H7.17c, trình bày từ trường phần cảm có tính khử từ từ trường dư đang tồn tại trong mạch từ. Sơ đồ đấu nối song song phần cảm và phần ứng trong các hình H7.17b và H7.17c ngược cực tính với nhau. Quá trình thành lập sức điện động ở phần ứng được tiến hành theo trình tự sau: Ban đầu, giả sử mạch từ tồn tại từ trường dư. Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn trên phần ứng cắt đường sức của từ trường dư tạo thành sức điện động cảm ứng E dư. Do phần cảm đấu song song với phần ứng và khi chưa nối tải vào phần ứng, ta có thể xem phần cảm là tải của phần ứng. Như vậy khi sức điện động E dư sinh ra sẽ tạo dòng điện kích thích qua phần cảm. Dòng điện kích thích này tiếp tục hình thành từ thông kích thích kt. Tùy thuộc vào chiều quấn dây của phần cảm và phương pháp đấu nối phần cảm với phần ứng, từ thông kt sinh ra cùng hứơng (trợ từ); hay ngược hướng (khử từ) với từ thông dư. Nếu các thành phần từ thông kt và dư cùng hướng, từ thông tổng của phần cảm gia tăng có khuynh hướng tiếp tục gia tăng sức điện động E trên phần ứng. Đây là quá trình hồi tiếp dương, hệ thống sẽ ổn định khi các giá trị dòng điện qua mạch kích thích và sức điện động E trên phần ứng thỏa phương trình cân bằng áp : E (R R ).I (7.17) ö kt kt Trường hợp ngược lại, khi các thành phần từ thông kt và dư ngược hướng, từ thông kt khi sinh ra làm triệt tiêu từ thông dư ngay từ đầu. Tóm lại, khi từ thông tổng trên phần cảm triệt tiêu, phần ứng không hình thành được sức điện động E.

79 3 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN VỀ CHIỀU QUAY CỦA ĐỘNG CƠ SƠ CẤP: kt Ikt = Iu n + e dæ Vt = V kt + - HÇNH H7.18 a Tæì træåìng pháön caím tråü tæì våïi tæì træåìng dæ Ikt = Iu kt - n Trong trường hợp này, giả sử điều kiện chiều đấu nối dây quấn phần cảm và phần ứng đang ở trạng thái thích hợp, khi thay đổi chiều quay của động cơ sơ cấp ta khảo sát các phản ứng trợ từ, khử từ giữa từ thông phần cảm với từ trường dư. Trong hình H7.18 a, tương ứng với sơ đồ đấu nối giữa phần ứng và phần cảm khi quay phần ứng theo chiều ngược kim đồng hồ, sức điện động phần ứng tạo dòng qua phần cảm có khuynh hướng tạo thành từ thông kích thích trợ từ với từ thông dư làm tăng giá trị của sức điện động E trong quá trình tự kích ban đầu. Trong hình H7.18 b khi quay phần ứng theo chiều kim đồng hồ, sức điện động sinh ra trên phần ứng đổi cực tính giữa hai chổi than, làm đổi hướng dòng qua dây quấn kích thích làm từ thông kích thích đổi hướng tạo hiện tượng khử từ với từ trường dư. Như vậy sức điện động E không hình thành do từ thông kích thích tổng triệt tiêu ĐIỀU KIỆN VỀ GIÁ TRỊ BIẾN TRỞ ĐIỀU CHỈNH NỐI TIẾP DÂY QUẤN PHẦN CẢM: Trong trường hợp trên mạch phần cảm có biến trở điều chỉnh (dùng thay đổi dòng điện kích thích và từ thông kích thích), khi duy trì chiều quay và tốc độ quay của động cơ sơ cấp không đổi, sức điện động trên phần ứng sinh ra trong quá trình tự kích phụ thuộc vào giá trị biến trở chỉnh kích thích trên mạch phần cảm. Giả sử máy phát điện thỏa các điều kiện sau: Chiều đấu nối phần cảm và phần ứng, phối hợp chiều quay của phần ứng đang tương ứng với trạng thái từ thông phần cảm trợ từ với từ trường dư. Tốc độ quay của động cơ sơ cấp đủ lớn để hình thành quá trình tự kích. + e Vt = V kt Giá trị của biến trở điều chỉnh dòng kích thích đủ lớn để hình thành sức điện động cảm ứng trong quá trình tự kích. dæ HÇNH H7.18 b Tæì træåìng pháön caím khæí tæì våïi tæì træåìng dæ HÌNH H7.18: Tương tác giữa từ trường phần cảm và từ trường dư khi thay đổi chiều quay của động cơ sơ cấp, nhưng duy trì sơ đồ đấu nối phần ứng và phần cảm. Rf Rkt HÌNH H7.19 Ikt Ru + E - + Quá trình tự kích trong trường hợp này diển tiến như sau: Sức điện động sinh ra thỏa đặc tuyến không tải và phương trình cân bằng áp giữa phần ứng và phần cảm. Từ hình H7.19, chúng ta có: E (R R R ).I (7.18) ö f kt kt Do điểm làm việc của máy phát phải nằm trên các đường đặc tuyến không tải, như vậy giá trị sức điện động và dòng điện kích thích không tải là tọa độ giao điểm của hai đặc tuyến: Đặc tuyến không tải E = f(i kt ) và đặc tuyến Volt Ampère mô tả quan hệ (7.18).

80 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 33 E Trong hình H7.0, trình bày giao điểm của hai đặc tuyến vừa trình bày trong mục trên để xác định sức điện động E của máy phát điện không tải. Chúng ta thay đổi độ dốc của đặc tuyến Volt Ampère (7.18) bằng cách điều chỉnh thay đổi giá trị của biến trở R kt. E E Edæ Ikt HÌNH H7.0: Xác định điểm làm việc không tải. Ikt Với đường đặc tuyến 1, độ đốc thấp nhất (tương ứng với giá trị của biến trở R kt nhỏ nhất); đường 1 và đặc tuyến không tải cắt nhau tại vị trí có giá trị E và I kt lớn nhất. Với đường đặc tuyến, độ đốc tăng cao hơn (tương ứng với giá trị của biến trở R kt gia tăng); giao điểm của đường và đặc tuyến không tải cắt nhau tại vị trí có giá trị E và I kt nhỏ hơn so với giao điểm của đưởng 1 với đặc tuyến không tải. Khi gia tăng giá trị của biến trở R kt cao hơn, thí dụ với đường 4, giao điểm của đường 4 với đặc tuyến không tải có giá trị E rất thấp. Trường hợp này, xem như sức điện động trên hai đầu phần ứng không thành lập. Với giá trị thích hợp của biến trở R kt ta có đặc tuyến 3 tiếp xúc với đặc tuyến không tải; đây là giới hạn biên giữa hai trạng thái hình thành sức điện động E và trạng thái không thành lập sức điện động E. Tương ứng với đặc tuyến 3 trong hình H7.0, giá trị điện trở E Ñieåm laøm vieäc khoâng taûi R kt trong trường hợp này được gọi là giá trị điện trở kích thích tới hạn để hình thành quá trình tự kích. E khoâng taûi E Ñaëc tuyeán khoâng taûi Trong hình H7.1 trình bày diển tiến của quá trình tự kích theo từng giai đọan khi điều chỉnh giá trị biến trở R kt thích hợp. Khi bắt đầu quá trình tự kích, từ thông dư tạo thành sức điện động E dư ; tương ứng với giá trị này, theo quan hệ (7.18) dòng điện kích thích qua phần cảm có giá trị là I kt1. Tương ứng với giá trị dòng điện I kt1 từ đặc tuyến không tải, sức điện động tạo được là E 1 > E dư. E 1 E dö 1 3 Ikt1 Ikt 4 Ñaëc tuyeán volt ampere maïch kích thích HÌNH H7.1: Diển tiến quá trình tự kích trong máy phát DC kích từ song song. I kt khoâng taûi Lý luận tương tự như trên, với giá trị sức điện động E 1 sinh ra, theo (7.18) dòng điện qua phần cảm gia tăng đến I kt > I kt1. Quá trình tiếp tục cho đến khi hệ thống ổn định tại giao điểm của hai đặc tuyến. Quá trình tự kích của máy phát điện DC kích từ song song tương tự như quá trính tự kích của máy phát điện đồng bộ (đã khảo sát trong chương 6).

81 34 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP VÀ DÒNG: Ikt It Iu HÌNH H7. Khi máy phát kích từ song song mang tải, trên mạch phần ứng có thêm biến trở điều chỉnh thay đổi từ thông kích thích, ta có các phương trình cân bằng áp và dòng như sau: Mạch phần ứng: E V R.I (7.19) E ö kt ö E K..n (7.0) Mạch phần cảm và phụ tải: V R.I (R R ).I (7.1) t taûi t f kt kt Phương trình cân bằng dòng: I I I (7.) ö t kt Dòng điện I kt tạo ra từ thông kích thích kt CÁC ĐẶC TUYẾN MÁY PHÁT KÍCH TỪ SONG SONG: ĐẶC TUYẾN KHÔNG TẢI: Đặc tuyến không tải mô tả quan hệ giữa sức điện động E sinh ra trên hai đầu phần ứng với dòng điện kích thích I kt, có dạng tương tự như đặc tuyến không tải của máy phát kích từ độc lập ĐẶC TUYẾN TẢI HAY ĐẶC TUYẾN NGÒAI: E V V V Rkt + Vt Rt Rf Ru + - E In - n P I Im B C D HÌNH H7.3: Đặc tuyến ngòai máy phát kích từ song song. M O Tương tự như đặc tuyến tải của máy phát kích từ độc lập, đặc tuyến tải (hay đặc tuyến ngòai) của máy phát kích từ song song là đồ thị mô tả quan hệ giữa áp V t trên hai đầu tải theo dòng điện I t qua tải. Ý nghĩa của các thành phần gây sự thay đổi điện áp khi mang tải của máy phát kích từ song song. BC: độ giảm áp sinh ra do R ư.i ư. CD: độ giảm áp sinh ra do phản ứng phần ứng. DM : độ giảm áp sinh ra do dòng điện kích thích I kt bị giảm thấp. Các giá trị dòng điện đặc biệt đo được trên đặc tính ngòai I n : dòng điện ngắn mạch của máy phát. I m : giá trị dòng điện tải cực đại. Đặc tính tải của máy phát kích từ song song được xây dựng qua thí nghiệm. Đầu tiên khi chưa đóng tải vào máy phát; duy trì tốc độ động cơ sơ cấp không đổi và bằng giá trị chọn trước (n = hằng số); điều chỉnh thay đổi giá trị biến trở R kt cho đến khi sức điện động E trên hai đầu phần ứng bằng giá trị chọn trước, sau đó duy trì và không thay đổi biến trở R kt (duy trì từ thông kt không đổi). N It

82 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 35 Giá trị của sức điện động E nhận được trên hai cực phần ứng được gọi là điện áp không tải V o của máy phát (E = V o ).Ta có các quan hệ sau: ö f kt kt o E R R R.I V (7.3) Nếu tính gần đúng bỏ qua giá trị của điện trở phần ứng R ư so với các giá trị điện trở R f và R kt, ta có thể ghi: E V R R.I (7.4) o f kt kt Bây giờ cấp tải vào hai đầu máy phát, điều chỉnh thay đổi điện trở tải và ghi nhận giá trị dòng tải, điện áp V trên hai đầu tải. Độ thay đổi điện áp trên tải khi so sánh giá trị V với V o gây nên do ba nguyên nhân như sau: Dòng I ư qua phần ứng sinh ra độ sụt áp trên điện trở phần ứng R ư (đọan BC). Dòng I ư qua dây quấn phần ứng tạo phản ứng phần ứng làm thay đổi từ thông kích thích làm giảm giá trị sức điện động E (đọan CD). Ngòai ra từ quan hệ dòng điện kích thích qua dây quấn phần cảm: I kt R f V R kt (7.5) Khi hai nguyên nhân trên gây hiện tượng giảm giá trị E làm điện áp V trên tải giảm thấp, sự kiện này kéo theo dòng điện kích thích qua phần cảm giảm thấp. Từ thông kích thích giảm thấp đưa đến hậu quả sức điện động E giảm giá trị nhanh. Trên hình H7.4 đọan DM đặc trưng cho sự giảm áp V do dòng kích thích giảm thấp. Nếu tiếp tục tăng dòng tải đến các giá trị cao hơn, sự giảm áp tăng nhanh và đặc tuyến ngòai qua các điểm M, N, O. Đặc biệt tại vị trí N dòng tải có giá trị tối đa, sau đó nếu tiếp tục giảm giá trị của điện trở tải, dòng điện phần ứng gia tăng, nhưng dòng điện qua tải giảm thấp. Tác dụng gây giảm áp do dòng điện I ư tại thời điểm này rất mạnh. Nếu tiếp tục giảm điện trở tải, áp V trên đầu tải tiến tới giá trị bằng 0 và dòng điện qua tải là dòng ngắn mạch I n (điểm P trên đặc tuyến ngòai hình H7.4). Trên hình H7.4, tại các điểm M và O mặc dù có cùng giá trị dòng tải ; nhưng tại điểm O làm việc không ổn định và điểm M là điểm làm việc ổn định. Thường đọan đặc tuyến ngòai từ N đến P được gọi là đọan đặc tuyến phía dưới của đặc tuyến ngòai; khu vực này máy phát làm việc không ổn định. Với đặc tuyến này, máy phát điện DC kích từ song song thích hợp cho chế độ máy phát điện một chiều dùng làm máy hàn hồ quang điện. Khu vực họat động ổn định cho máy phát điện DC kích từ song song không thuộc các khu vực sau: Không nằm trên đọan tuyến tính của đặc tuyến không tải. Không nằm trên phần dưới của đặc tuyến ngòai MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP : Máy phát điện một chiều kích từ nối tiếp có các đặc điểm như sau: Dây quấn kích thích phần cảm đấu nối tiếp với phần ứng. Dòng điện qua mạch phần ứng, qua tải và qua phần cảm cùng giá trị : I ư = I kt = I t. Do đó, về cấu tạo dây quấn phần cảm có tiết diện lớn, ít vòng, điện trở dây quấn kích thích nối tiếp có giá trị rất bé, tương tự như điện trở R ư của phần ứng. Máy phát điện kích từ nối tiếp chỉ sinh ra điện áp khi được nối vào tải. Máy phát không có chế độ vận hành không tải.

83 36 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Mạch điện đấu nối với tải của máy phát kích từ nối tiếp (xem hình H7.5) có dạng giống như mạch điện không tải của máy phát kích từ song song. Do đó muốn hình thành điện áp cho máy phát kích từ nối tiếp, chúng ta cũng phải trải qua quá trình tự kích; và thỏa các điều kiện tự kích (như vừa trình bày trong mục điều kiện tự kích của máy phát kích từ song song). Muốn xác định quan hệ E = f (I kt ) của máy phát kích từ nối tiếp, chúng ta phải tiến hành thí nghiệm máy phát trong điều kiện kích từ độc lập PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP: Rn Iu = It = Ikt HÌNH H7.5 + Rt Vt ĐẶC TÍNH NGÒAI : Ru + E - - n Với: và: Trong hình H7.5, ta có: R n : điện trở của dây quấn kích thích nối tiếp. R ư : điện trở của dây quấn phần ứng. Phương trình cân bằng áp bao gồm: E V (R R ).I (5.6) t n ö t I I I (5.7) t kt ö E K..n (5.8) E kt Muốn xây dựng đặc tính ngòai của máy phát kích từ song song bằng thực nghiệm, chúng ta tiến hành tuần tự các bước sau: Thực hiện mạch điện như hình H7.5, điều chỉnh giá trị điện trở tải có giá trị tối đa; dùng động cơ sơ cấp quay phần ứng đến tốc độ n (tương ứng giá trị định trước). Xác định điện áp E dư tạo bởi từ trường dư. Vt Vtm Vt = Rt.It B A P Edæ Im In HÌNH H7.6: Đặc tuyến ngòai máy phát kích từ nối tiếp. C I Giảm dần tải để đạt được giá trị điện trở tới hạn thực hiện quá trình tự kích, khi sức điện động E sinh ra trên phần ứng và hình thành điện áp V t trên tải, ta tiến hành điều chỉnh thay đổi điện trở tải và ghi nhận các cặp giá trị (V t, I t ) để xây dựng đặc tính ngòai cho máy phát. Đặc tuyến ngòai của máy phát kích từ nối tiếp được trình bày trong hình H7.6; chúng ta có thể chia đặc tuyến này thành hai khu vực. KHU VỰC 1: đọan AB có dạng gần giống như đặc tuyến không tải, được gọi là đọan tăng áp. KHU VỰC : đọan AC, điện áp V t giảm nhanh trong khi dòng điện qua tải tăng rất chậm, đọan AC được gọi là đọan ổn định dòng của máy phát hay có thể nói máy phát dòng điện không đổi.

84 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 37 Công dụng của máy phát điện một chiều có thể trình bày tóm tắt như sau: Khi máy phát vận hành trên đọan AB, máy có tính năng tăng áp theo dòng tải. Khi họat động với tính năng này, máy phát điện kích từ nối tiếp được đấu nối tiếp với máy phát điện khác trước khi đấu đến tải. Khi dòng tải gia tăng sức điện động trên hai cực máy gia tăng đủ để bù với độ giảm áp sinh ra trên đường dây truyền đến tải. Với công dụng này ta nói máy phát điện kích từ nối tiếp họat động như máy tăng giảm điện áp một chiều. Điểm làm việc khi mang tải của máy phát một chiều kích từ nối tiếp là giao điểm giữa đặc tuyến ngòai của máy phát với đặc tuyến Volt Ampère của tải (điểm P trên hình H7.6). Đọan AC đặc tuyến ngòai, tương ứng với tính ổn định dòng được giải thích như sau: Khi tải giảm giá trị, dòng qua tải tăng, máy phát trong trạng thái bảo hòa nên sức điện động E có giá trị không đổi. Mặt khác khi dòng tải gia tăng, phản ứng phần ứng và sụt áp trên R ư và R n tăng nhanh. Do đó áp V t trên tải giảm thấp trong khi dòng qua tải tăng. Trường hợp máy phát điện họat động trên đọan AC, tính năng tương thích với các lọai tải cần duy trì dòng điện làm việc không đổi khi áp đặt ngang qua hai đầu tải thay đổi trong phạm vi lớn. Đọan đặc tuyến này tương thích với tải hàn điện hồ quang. Khi vận hành máy phát một chiều như máy hàn điện, ta cần thiết kế để gia tăng phản ứng phần ứng làm điện áp sinh ra giữa hai cực máy phát giảm nhanh, trong lúc dòng điện qua tải đang tăng; với mục tiêu này dòng điện qua tải bị khống chế và duy trì không đổi MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỔN HỢP: Máy phát kích từ hổn hợp có thể xem là máy phát điện một chiều áp dụng tổng hợp tính năng của máy phát kích từ song song và nối tiếp. Về cấu tạo, trên phần cảm chúng ta bố trí hai bộ dây quấn kích thích: dây quấn kích thích song song (nhiều vòng dây, điện trở có giá trị lớn, dây quấn có tiết diện bé; được đấu song song với phần ứng) ; dây quấn kích thích nối tiếp (ít vòng dây, điện trở có giá trị rất bé, dây quấn có tiết diện lớn ; được đấu nối tiếp với phần ứng). Tùy theo, cách đấu nối mạch giữa phần cảm và phần ứng, chúng ta có thể phân lọai máy phát kích từ hổn hợp theo các dạng sau: Nếu căn cứ theo hướng của từ thông kích thích hình thành từ dây quấn kích thích song song và nối tiếp, chúng ta có hai dạng máy phát kích từ hổn hợp: máy phát kích từ hổn hợp cộng và máy phát kích từ hổn hợp trừ. Nếu căn cứ theo sơ đồ nối mạch giữa phần cảm và phần ứng, chúng ta có máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ ngắn và mắc rẽ dài. Trong hình H7.7, trình bày sơ đồ đấu nối các dây quấn kích thích nối tiếp và song song của phần cảm với phần ứng. Sơ đồ thực hiện thuộc dạng kích thích hổn hợp mắc rẽ ngắn. HÌNH H7.7 a: trình bày sơ đồ đấu nối máy phát kích từ hổn hợp khi chưa có tải. Dòng qua dây quấn kích thích song song lúc không tải chính là dòng điện qua dây quấn phần ứng (I kt = I ư ). Tại trạng thái này, chưa có dòng điện qua dây quấn kích thích nối tiếp máy phát vận hành tương tự như máy phát kích từ song song. HÌNH 5.7 b: trình bày trạng thái mang tải của máy phát, dòng qua tải cũng là dòng điện qua dây quấn kích thích nối tiếp; dòng điện phần ứng tại trạng thái này bằng tổng giá trị của dòng điện qua dây quấn kích thích song song và dòng điện qua tải. Do cách đấu dây giữa các dây quấn kích thích, từ thông tạo ra trên phần cảm do dây quấn kích thích song song và nối tiếp có hướng ngược nhau; ta gọi máy phát ở trạng thái kích từ hổn hợp trừ. HÌNH 5.7 c: trình bày trạng thái máy phát kích từ hổn hợp cộng (từ thông tạo bởi dây quấn kích thích song song và nối tiếp cùng hướng).

85 38 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 ktn kts kts Ikt Ikt I u = Ikt n + e + - n + e + - I u Ikt Ikt + - HÇNH H7.7 a It = Ikt n HÇNH H7.7 b It V + - R taíi ktn + e + - I u Ikt kts n Ikt Trong hình H7.8, trình bày sơ đồ nối dây của máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ dài (phần ứng đấu nối tiếp với dây quấn kích thích nối tiếp, dây quấn kích thích song song đấu song song với hệ thống phần ứng và dây quấn kích thích nối tiếp). Trong hình H7.8a, chúng ta có sơ đồ đấu dây theo dạng kích từ hổn hợp trừ. Trong hình H7.8b trình bày sơ đồ đấu dây theo dạng kích từ hổn hợp cộng. Tại trạng thái không tải, do dòng điện kích thích có giá trị nhỏ nên ảnh hưởng khử từ hay trợ từ giữa dây quấn kích thích song song và dây quấn kích thích nối tiếp chưa rõ ràng. Trong trạng thái không tải, từ thông kích thích tạo bởi dây quấn kích từ song song tác động chủ yếu. Tác động của từ thông kích thích nối tiếp chủ yếu chỉ tác động mạnh khi máy phát mang tải. It = Ikt n HÇNH H7.7 c Vt + - R taíi It

86 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 39 ktn kts kts ktn Ikt Ikt I u = Ikt + e + - n I u = Ikt + e + - n Ikt + - HÇNH H7.8 a Ikt + - HÇNH H7.8 b HÌNH H7.8: Sơ đồ nối dây phần cảm và phần ứng máy phát kích từ hổn hợp, mắc rẽ dài PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ÁP VÀ DÒNG CỦA MÁY PHÁT KÍCH TỪ HỔN HỢP: Ikt It Iu Rkt + Rf Ru + - E Rt Vt n - Rn HÌNH H7.9: Máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ ngắn. Với máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ ngắn, sơ đồ mạch tương đương (xem hình H7.9) và các phương trình cân bằng áp và dòng được trình bày như sau, trong đó: R f :điện trở dây quấn kích thích song song. R kt : biến trở ngoài dùng điều chỉnh dòng kích thích song song. R n : điện trở dây quấn kích thích nối tiếp. R ư : điện trở dây quấn phần ứng. kts : Từ thông kích thích do dây quấn kích thích song song tạo ra. ktn : Từ thông kích thích do dây quấn kích thích nối tiếp tạo ra. Ta có: E V R.I R.I (7.9) ö ö n taûi ö ö f kt kt E R.I R R.I (7.30) E K.( ).n (7.31) E kts ktn I I I (7.3) ö kt taûi

87 40 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 Ikt It Iu Rkt + Ru + - E Rt Rf Vt HÌNH H7.30: Máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ dài. n - Rn Với máy phát kích từ hổn hợp mắc rẽ dài, mạch tương đương (hình H7.30); các phương trình cân bằng áp và dòng được trình bày như sau, trong đó : R f : điện trở dây quấn kích thích song song. R kt : biến trở ngoài dùng điều chỉnh dòng kích thích song song. R n : điện trở dây quấn kích thích nối tiếp. R ư : điện trở dây quấn phần ứng. kts : Từ thông kích thích do dây quấn kích thích song song tạo ra. ktn : Từ thông kích thích do dây quấn kích thích nối tiếp tạo ra. Ta có: E V R R.I (7.33) ö n ö V R R.I R.I (7.34) f kt kt taûi taûi E K.( ).n (7.35) E kts ktn I I I (7.36) ö kt taûi ĐẶC TÍNH NGÒAI CỦA MÁY PHÁT KÍCH TỪ HỔN HỢP: Tùy thuộc vào dạng kích từ hổn hợp cộng hay trừ, dạng đặc tuyến ngòai của máy phát thay đổi rất nhiều. Trong hình H7.31, chúng ta so sánh đặc tuyến ngòai của máy phát kích từ song song với máy phát kích từ hổn hợp cộng và trừ. Đường 1: Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích song song. Đường : Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích hổn hợp cộng thiếu. Đường 3: Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích hổn hợp cộng vừa. Đường 4: Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích hổn hợp cộng thừa. Đường 5: Đặc tính ngoài của máy phát điện kích thích hổn hợp trừ. HÌNH H7.31: Đặc tính ngòai của máy phát điện.

88 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU : QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ: Quá trình điện từ dùng giải thích nguyên tắc hoạt động động cơ một chiều được trình bày như sau: Đầu tiên, cấp nguồn áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường kích thích kt. Đồng thời cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng điện I ư qua các thanh dẫn trên phần ứng. Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện I ư và đặt trong từ trường kích thích sẽ chịu tác động của lực điện từ F (xem hình H7.3a) tạo thành momen làm quay phần ứng. Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức từ trường phần cảm nên trên các thanh dẫn hình thành các sức phản điện e (hình H7.3b). Biểu thức xác định sức phản điện trung bình xuất hiện trên hai đầu phần ứng được xác định tương tự theo quan hệ (7.6) và (7.9) đã trình bày trong mục 7.. Vkt + F Iæ + Iæ B F Ikt F v + Iæ B Iæ Vkt + v Iæ n + B e v Ikt - + V - e B - + V - HÇNH H7.3a HÇNH H7.3b HÌNH H7.3 : Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều. Chúng ta cần chú ý hướng của dòng I ư qua thanh dẫn phần ứng so với hướng của sức điện động cảm ứng e sinh ra trên chính thanh dẫn đó. Vì hướng của dòng Iư và sức điện động ngược nhau, điều này chúng tỏ sức điện động e đang nhận năng lượng từ nguồn ngoài, do đó trong trường hợp này e được gọi là sức phản điện) PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU: Tương tự, như trường hợp máy phát điện một chiều, tùy thuộc vào sơ đồ nối dây giữa phần ứng với phần cảm; chúng ta phân loại động cơ như sau: Động cơ một chiều kích từ độc lập. Động cơ một chiều kích từ song song. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Động cơ một chiều kích từ hổn hợp.

89 4 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP : PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DÒNG, ÁP: + Ukt - Iæ n + B; (kt) Iæ Ikt + U - kt f kt Tương tự như máy phát điện kích từ độc lập, phần cảm và phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập được cung cấp bằng các nguồn áp một chiều riêng biệt. Mạch điện tương đương của động cơ một chiều kích từ độc lập được trình bày trong hình H7.33. Từ đó suy ra các phương trình cân bằng dòng và áp như sau, trong đó: R f : là điện trở của dây quấn kích thích (phần cảm). R ư : điện trở dây quấn phần ứng. n : tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của động cơ). kt : từ thông kích thích tạo bởi dây HÌNH H7.33: Mạch tương đương động cơ DC kích từ độc lập. quấn phần cảm và dòng điện kích thích I kt. V R.I (7.37) E K..n (7.38) E Ikt Iæ kt V E R.I (7.39) PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG HIỆU SUẤT: ö ö + Vkt - Rf Ræ M + E - + V - E = KE.kt.n Từ phương trình cân bằng áp trên mạch phần ứng, quan hệ (7.39); nhân hai vế cho giá trị dòng điện I ư, ta có: Đặt: V.I E.I R.I (7.40) P ö ö ö ö ñieäntöø E.I (7.41) ö P điện từ : công suất điện từ tiêu thụ trên phần ứng. V.I ư : công suất điện cung cấp từ nguồn cho phần ứng. R ư.i ư : công suất nhiệt tiêu thụ trên điện trở R ư phần ứng. Tóm lại trên phần ứng chúng ta có phương trình cân bằng năng lượng như sau: P ñieän öùng V.I P R.I jöùng ö ö P P P ñieän öùng ñieäntöø j öùng ö (7.4) Vì động cơ thuộc dạng kích từ độc lập, điện năng cung cấp cho động cơ lấy từ hai nguồn khác nhau, do đó tổng điện năng cấp cho động cơ gồm điện năng cấp cho phần ứng phần cảm. Điện năng cấp vào phần cảm chính là tổn hao trên điện trở dây quấn phần cảm R f. Ta có: P P V.I R.I (7.43) ñieän caûm j caûm kt kt f f

90 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 43 P âiãûn THÍ DỤ 7.4: Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức như sau: Điện áp định mức (cấp vào phần ứng) : V đm = 10 V. Dòng điện định mức (qua phần ứng) : I đm = 40 A. Điện trở dây quấn phần ứng: R ư = 0,5. Điện áp cấp vào phần cảm : V kt = 100 V. Điện trở dây quấn kích thích : R f = 100. Công suất định mức của động cơ là : P đm = 4 kw a./ Hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức. b./ Tổn hao ma sát cơ và tổn hao thép lúc tải định mức. GIẢI: P âiãûn æïng P âiãûn caím a./hiệu suất của động cơ tại tải định mức: Căn cứ vào các quan hệ (7.41), (7.4) và (7.43) chúng ta xây dựng giản đồ phân bố năng lượng. Từ giản đồ này cho thấy công suất điện từ trên phần ứng chính là công suất cơ đưa ra trên trục nhưng chưa trừ đi tổn hao ma sát cơ (tổn hao ma sát trên ổ bi, quạt gió giải nhiệt..) và tổn hao thép của động cơ. Khi trừ đi các thành phần tổn hao này vào công suất điện từ, phần còn lại chính là công suất cơ hữu ích đưa ra trên trục của động cơ. Công suất định mức chính là công suất cơ ra trên trục động cơ khi tải định mức. Công suất điện cung cấp cho động cơ bao gồm tổng công suất điện cung cấp cho phần cảm và phần ứng, ta có: 100 P P P V.I V.I W ñieän ñieänöùng ñieäncaûm ñm ñm kt kt 100 Hiệu suất của động cơ tại điểm định mức là: P P cô ñm ,8163 P P 4900 Tóm lại: % = 81,63% ñieän ñieän P âiãûn tæì P j caím HÌNH H7.34 : Giản đồ phân bố năng lượng P j æïng b./tổn hao thép và tổn hao ma sát cơ tại tải định mức: Muốn xác định tổng tổn hao ma sát cơ và tổn hao thép cần dựa vào giản đồ năng lượng. Đầu tiên xác định sức phản điện trên phần ứng khi tải định mức: E V R.I 10 0, V ñm ö ñm Công suất điện từ tại điểm định mức được xác định theo quan hệ (7.41): P E.I E.I W ñieän töø ö ñm P Cå P ma saït cå + P täøn hao theïp (Pmq+thép) Tổn hao ma sát cơ, quạt giá và tổn hao thép xác định theo quan hệ sau: P P P P P W mqtheùp ñieäntöø cô ñieäntöø ñm

91 44 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ : Đặc tính tốc độ của động cơ là đồ thị mô tả quan hệ giữa tốc độ quay n của động cơ với dòng điện I ư qua mạch phần ứng. Đặc tính tốc độ được xây dựng bằng cách khử E trong các quan hệ (7.38) và (7.39); ta có: V R.I ö ö n (7.44) K. E kt Ta có thể ghi lại theo dạng sau: no n nâm d Iâm c R V ö n.i ö K. K. E kt E kt Âiãøm khäng taíi lyïtæåìng I Inm Âiãøm âënh mæïc b ö khôûi ñoäng Âiãøm khåíi âäüng HÌNH H7.35: Đặc tính tốc độ động cơ DC kích từ độc lập. ö (7.45) Đồ thị của đặc tính tốc độ có dạng đường thẳng y Ax B, A 0 vaø B 0. Đặc tuyến này đi qua hai điểm đặc biệt. Giao điểm của đồ thị với trục hòanh (trục dòng điện I ư ): V Khi n= 0, ta có I ö ; tại vị trí này Rö động cơ không quay (n = 0) nhưng vẫn có dòng điện qua mạch phần ứng. Điểm làm việc này tương ứng với điểm khởi động động cơ, dòng điện tính được gọi là dòng điện mở máy trực tiếp của động cơ qua phần ứng hay dòng điện ngắn mạch phần ứng tại thời điểm khởi động (mở máy). Ta có quan hệ sau: V I (7.46) nm R Giao điểm của đồ thị với trục tung (trục tốc độ n): Khi I ư = 0, ta có tốc độ : V n n (7.47) khoâng taûi o K. E kt a Iæ Muốn hiểu được ý nghĩa vật lý giao điểm của đồ thị với trục tung, chúng ta quan sát đặc tính tốc độ động cơ trong hình H7.35. Tại thời điểm bắt đầu khởi động động cơ (điểm a); dòng mở máy (hay khởi động trực tiếp) qua phần ứng có giá trị là I n ; động cơ tăng dần tốc độ từ giá trị 0. Khi rotor đã quay: tốc độ động cơ tăng dần, trong khi dòng qua phần ứng giảm dần (quan sát đọan ab trên hình H7.35). Tại chế độ không tải, động cơ không mang tải trên trục, tốc độ động cơ tiếp tục tăng và dòng điện qua phần ứng giảm thấp hơn giá trị định mức, điểm làm việc trên đọan cd. Tóm lại, tại chế độ không tải điểm làm việc của động cơ trên đặc tính tốc độ nằm gần vị trí d. Tuy nhiên, tại chế độ không tải điện làm việc của động cơ không thể ở đúng vị trí d, vì tại đây dòng điện qua mạch phần ứng là Iư = 0 (không có dòng điện qua các thanh dẫn phần ứng) như vậy không hình thành lực điện từ để tạo momen quay rotor. Thực sự động cơ chỉ có thể tiến về vùng cận của điểm d trong qúa trình họat động không tải; do lý do này điểm d được gọi là điểm không tải lý tưởng; tốc độ động cơ tại d là n o được gọi là tốc độ không tải lý tưởng.

92 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TÍNH MOMEN THEO DÒNG PHẦN ỨNG : Gọi P đt là công suất điện từ tạo bởi phần ứng, ta có: P ñt E.I (7.48) ö Với n là tốc độ động cơ khi đang mang tải ứng với công suất điện từ vừa xác định theo quan hệ (7.48), ta có momen điện từ được xác định như sau: Trong đó, (7.49) như sau: P E.I ñt ö M 9,55. 9,55. (7.49) ñt M N.m ñt ; ñt n n P W ; voøng n, chúng ta có thể viết lại quan hệ phuùt K..n.I E kt ö M 9,55. 9,55.K..I (7.50) ñt E kt ö n Khi bỏ qua ảnh hưởng ma sát cơ, quan hệ giữa momen điện từ theo dòng qua phần ứng có dạng đường thẳng qua gốc tọa độ y Ax A ĐẶC TÍNH CƠ : Từ các quan hệ (7.45) và (7.50) suy ra quan hệ giữa momen điện từ theo tốc độ của động cơ, đặc tính này gọi là đặc tính cơ của động cơ. Ta có quan hệ sau: Đặt: Suy ra: R M V ö ñt n. K. 9,54.K. K. E kt E kt E kt (7.51) K K. (7.5) M E kt R.M ö ñt V n 9,54.K K M M (7.53) Từ quan hệ (7.53) cho thấy đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập hay có dạng đường thẳng y Ax B A 0 ;B ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG : Tương tự như động cơ kích từ độc lập, phần cảm và phần ứng của động cơ một chiều kích từ song song được cấp bởi duy nhất một nguồn áp Rf một chiều. Mạch điện tương đương của động cơ Ikt Rkt một chiều kích từ song song được trình bày trong Ru Iu hình H7.36. Trong đó: + - In E n + V - HÌNH H7.36 R f : là điện trở của dây quấn kích thích (phần cảm). R kt : là điện trở ngoài nối tiếp phần cảm. R ư : điện trở dây quấn phần ứng. n : tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của động cơ). kt : từ thông kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm và dòng điện kích thích I kt.

93 46 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DÒNG, ÁP: Các phương trình cân bằng dòng và áp xây dựng từ mạch tương đương của động cơ DC kích từ song song ghi nhận như sau: V R R.I (7.54) f kt kt Trong đó E K..n E kt V E R.I (7.56) ö ö I I I (7.57) n ö kt Dòng I n là dòng từ nguồn cấp đến động cơ. Đối với mạch kích thích khi không cần điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông kích thích, ta chỉnh cho R kt = 0, không đấu nối tiếp điện trở ngoải với mạch phần cảm PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG HIỆU SUẤT: Từ phương trình cân bằng áp của mạch phần ứng, nhân hai vế của quan hệ (7.54) cho dòng I ư, ta có: Từ (7.57) suy ra: Hay V.I E.I R.I ö ö ö ö n kt ö ö ö V. I I E.I R.I (7.58) V.I E.I R.I V.I (7.59) n ö ö ö kt Cần chú ý đến ý nghĩa của các tích số trong quan hệ (7.59). Công suất điện cấp đến động cơ: P P V.I (7.60) 1 ñieän n Công suất điện từ, công suất cơ đưa ra trục động cơ nhưng chưa trừ ma sát cơ, quạt gió và tổn hao thép. P P E.I (7.61) ñt ñieäntöø ö Tổn hao trên dây quấn phần ứng do tác dụng Joule, tổn hao đồng trên phân ứng: P R.I (7.6) jöùng ö ö P V.I R R.I (7.63) Tổn hao trên mạch kích thích: jkt kt f kt kt P P V.I 1 ñieän n P V.I R R.I jkt kt f kt kt P ñieäntöø P R.I jöùng ö ö P P E.Iö côra Pmq theùp Giản đồ năng lượng trình bày phân bố các thành phần công suất trong động cơ DC kích từ song song mô tả trong hình H7.37. HÌNH H7.37 : Giản đồ phân bố năng lượng động cơ DC kích từ song song

94 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 47 Hiệu suất của động cơ xác định theo quan hệ: P Coâng suaát cô ra (ñaõ tröø P ) mq+theùp P Coâng suaát ñieän caáp vaøo ñoäng cô (7.64) Phần trăm hiệu suất: P 1 %.100 P 1 (7.65) CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC : Các đặc tính làm việc của động cơ DC kích từ song song gồm: đặc tính tốc độ, đặc tính momen điện từ theo dòng phần ứng và đặc tính cơ có quan hệ hoàn toàn giống như các đặc tính của động cơ kích từ độc lập. Tham khảo lại các mục 7.8 ; ; THÍ DỤ 7.5: Cho động cơ một chiều kích từ song song có các thông số định mức như sau: Công suất định mức: P đm = 1 kw Áp định mức: V đm = 40 V Dòng vào định mức: I đm = 61 A Tốc độ định mức: n dm = 1000 vòng/phút Điện trở dây quấn kích thích: R f = 40 Ω. Khi không đấu nối tiếp điện trở ngoài với mạch phần cảm và vận hành động cơ mang tải định mức, tổn hao trên dây quấn phần ứng bằng 54,54% tổn hao tổng. Lúc động cơ mang tải định mức, xác định: a./ Điện trở dây quấn phần ứng. b./ Sức phản điện trên phần ứng. c./ Tổn hao ma sát cơ và thép. d./ Momen điện từ và momen cơ trên trục động cơ. GIẢI CÂU a: Điện trở dây quấn phần ứng Công suất điện cấp vào động cơ lúc tải định mức (hay đầy tải): P V.I W 1 dm dm Tổng tổn hao: Tâoånhao P P W 1 ñm Vdm 40 Dòng điện kích thích: I 1 A kt R 40 Dòng điện qua phần ứng lúc tải định mức: ö ñm kt Tổn hao trên dây quấn phần ứng lúc đầy tải: f I I I A P 0, 5454 Tâoånhao 0, , W ju Điện trở dây quấn phần ứng: Pjö 1440 R 04, ö I 60 ö

95 48 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 CÂU b: Sức phản điện E Sức phản điện trên phần ứng lúc tải định mức: E U R.I 40 0, V dm u u CÂU c: Tổn hao ma sát cơ quạt gió và tổn hao thép Công suất điện từ lúc tải định mức. P E I W ñt ö Tổn hao ma sát cơ và thép: P P P W mq theùp ñt ñm CÂU d: Momen điện từ và momen cơ Momen điện từ lúc tải định mức. P dt 1960 M 9, 55.,., Nm dt n dm 1000 Momen cơ ra trên trục lúc tải định mức. P dm 1000 M 9, 55.,., Nm co n dm 1000 THÍ DỤ 7.6: Cho động cơ một chiều kích từ song song có các thông số định mức như sau: Công suất định mức: P đm = 5,5 kw Áp định mức: V đm = 40 V Dòng vào định mức: I đm = 6 A Tốc độ định mức: n dm = 1500 vòng/phút Điện trở dây quấn phấn ứng: R ư = 0,4 Ω. Điện trở dây quấn phấn cảm: R f = 40 Ω. a./ Tính phần trăm hiệu suất động cơ lúc đầy tải (tải định mức). b./ Dòng điện mở máy qua phần ứng và qua dây nguồn. c./ Giả sử mạch từ không bảo hòa, tìm tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. d./ Khi không điều chỉnh thay đổi kích thích và giảm thấp tải trên trục động cơ, biết công suất điện từ là 500 W, tính sức phản điện trên phần ứng suy ra tốc độ quay của động cơ tại lúc này. e./ Bây giờ giả sử động cơ mang tải với dòng từ nguồn cấp vào động cơ có giá trị bằng nửa giá trị định mức; tìm tốc độ quay và momen điện từ của động cơ. GIẢI CÂU a: Phầm trăm hiệu suất của động cơ lúc đầy tải Công suất điện cấp vào động cơ lúc tải định mức (hay đầy tải): P V.I W 1 dm dm Phần trăm hiệu suất của động cơ: CÂU b: Dòng mở máy qua phần ứng Áp dụng quan hệ (7.46), ta có: P ñm 5500 % , 14 % P V 40 ñm mm öùng R 0,4 ö I 600 A

96 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 49 Dòng điện qua dây quấn kích thích: V 40 ñm kt R 40 f Dòng điện mở máy qua dây nguồn: I I I A mm mm ung kt CÂU c: Tốc độ không tải lý tưởng Theo giả thiết của đầu đề : với mạch từ không bảo hòa và không điều chỉnh thay đổi dòng kích thích (không thay đổi từ thông kích thích) tốc độ quay và sức phản điện trên phần ưng tỉ lệ thuận với nhau. Ngoài ra theo các quan hệ (7.38) và (7.47) ta suy ra: n V o ñm n E ñm luùc ñaày taûi Sức phản điện lúc đầy tải: E V R.I 40 0, 4 6 9, 6 V Tốc độ không tải lý tưởng: I dm u u V ñm 40 voøng n n ñm E 9,6 phuùt luùc ñaày taûi CÂU d: Sức phản điện và tốc độ quay tại lúc tải với P đt = 500 W Với Pdt 500 W, ta suy ra quan hệ sau: E.I u 1A 500 W Từ phương trình cân bằng áp phần ứng ta có: V E R.I hay 40 E 0,4.I ñm ö ö ö Thu gọn hệ phương trình hai ẩn số theo E và I ư ta có phương trình bậc sau đây: E 40.E Giải phương trình bậc ta có các nghiệm như sau: E 35,758 V và E 4,4 V 1 1 Chọn nghiệm có giá trị lớn, suy ra tốc độ động cơ bằng phương pháp lập tì số, ta có: E 35,758 voøng 9,6 phuùt 1 n n ñm E luùc ñaày taûi CÂU e: Tốc độ quay tại lúc tải với dòng từ nguồn bằng nửa định mức. Dòng qua phần ứng lúc mang tải: Sức phản điện khi mang tải với dòng qua phần ứng I ư = 1 A E V R.I 40 0,4 1 39,5 V ñm ö ö Tốc độ động cơ khi mang tải với dòng qua phần ứng I ư = 1 A I ñm 6 I I I I 1 1A ö n kt kt E 39,5 voøng n n ,8 ñm E 9,6 phuùt luùc ñaày taûi

97 50 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP : PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG DÒNG, ÁP VÀ NĂNG LƯỢNG: HÌNH H7.38 Với động cơ DC kích từ nối tiếp phần cảm và phần ứng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được đấu nối tiếp với nhau. Sơ đồ mạch tương đương của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được trình bày trong hình H7.38. Từ mạch điện tương đương ta xây dựng các phương trình cân bằng áp của động cơ như sau: V E R R.I (7.66) ö n ö Vì dây quấn phần cảm nối tiếp với phần ứng nên dòng điện qua phần ứng cũng chính là dòng kích thích. I I (7.67) ö kt Trong đó: R n : là điện trở của dây quấn kích thích nối tiếp. R ư : điện trở dây quấn phần ứng. n : tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của động cơ). kt : từ thông kích thích tạo bởi dây quấn phần cảm và dòng điện kích thích I kt. Vì từ thông kích thích của động cơ kích từ nối tiếp được tạo bởi dòng điện phần ứng. Như vậy, khi động cơ mang tải dòng phần ứng thay đổi tác động trực tiếp lên từ thông kích thích và ảnh hưởng đến tốc độ quay GIẢN ĐỒ NĂNG LƯỢNG HIỆU SUẤT: Suy ra: Tính tóan tương tự như các trường hợp trên, ta có: V.I E.I R R.I (7.69) ö ö ö n ö Công suất điện cấp đến động cơ: P P V.I (7.70) 1 ñieän ö Công suất điện từ, công suất cơ đưa ra trục động cơ nhưng chưa trừ ma sát cơ, quạt gió và tổn hao thép. P P E.I (7.71) ñt ñieäntöø ö Tổn hao trên dây quấn phần ứng do tác dụng Joule, tổn hao đồng trên phân ứng: P R.I (7.7) Tổn hao trên mạch kích thích: jöùng ö ö P R.I (7.73) jkt n ö P P V.I 1 ñieän ö P R.I jkt n ö P P R.I E.I ñieäntöø ö côra jöùng ö ö P P Pmq theùp Căn cứ vào các quan hệ vừa xác định chúng ta xây dựng giản đồ phân bố năng lượng trình bày trong hình H7.39. Biểu thức tính hiệu suất xác định tương tự theo các quan hệ (7.64) và (7.65). HÌNH H7.39 : Giản đồ phân bố năng lượng động cơ DC kích từ nối tiếp

98 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ KÍCH TỪ NỐI TIẾP: Tính tóan tương tự như trường hợp động cơ kích từ độc lập hay song song, đặc tính tốc độ của động cơ xác định theo quan hệ sau: V (R R ).I ö n ö n (7.74) K. E kt Với động cơ kích từ nối tiếp dòng qua dây quấn phần ứng cũng chính là dòng kích thích hình thành từ thông kích thích; nên dòng I ư và từ thông kích thích quan hệ với nhau. Quan hệ này chính là đặc tuyến từ hóa của vật liệu sắt từ tạo nên động cơ. Trong trường hợp mạch từ chưa bảo hòa ta có : A.I (7.75) kt ö A là hằng số tỉ lệ giữa dòng điện I ư và từ thông kt. Từ (7.64) và (7.65) suy ra quan hệ: V (R R ).I ö n ö V R R ö n n K.A.I K.A.I K.A E ö E ö E (7.76) n 0 ( Rö Rn ) K. E kt I In HÌNH H7.40: đặc tính tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp. nm V (R R ) ö n Iö Từ quan hệ (7.66) cho thấy đường biểu diễn của đặc tính tốc độ của động cơ DC kích từ nối tiếp có dạng hyperbol vuông góc. Ta có các giới hạn tìm được như sau: (R R ) lim n vaø lim n ö n i K.A i0 E Đồ thị nhận các đường thẳng sau đây làm các dường tiệm cận: Đường thẳng song song với trục hòanh có (R R ) ö n phương trình n là đường tiệm cận K.A E ngang của đặc tính tốc độ. Trục tung là đường tiệm cận đứng của đặc tính tốc độ. Giao điểm của đồ thị với trục hòanh là : (7.77) Dòng I nm được gọi là dòng điện ngắn mạch hay dòng điện khởi động trực tiếp của động cơ. Đường đặc tính tốc độ trình bày trong hình H7.40. Từ đặc tính tốc độ chúng ta rút ra nhận xét như sau: Trên đặc tuyến tốc độ tại các vị trí có dòng điện tải thấp, tốc độ động cơ tăng cao. Vì đặc tuyến nhận trục tung làm đường tiệm cận, nên tại lúc động cơ vận hành không tải (dòng điện có giá trị rất nhỏ) tốc độ quay của động cơ rất lớn (tiến đến giá trị vô cùng lớn). Như vậy động cơ kích từ nối tiếp không được vận hành tại trạng thái không tải vì tốc độ tăng rất cao có thể phá hủy rotor do tác dụng của lực ly tâm.

99 5 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 THÍ DỤ 7.7 : Cho động cơ DC kích từ nối tiếp có các thông số định mức như sau: Điện áp định mức : V đm = 0 V. Dòng điện định mức : I đm = 86 A. Điện trở dây quấn phần ứng: R ư = 0,. Điện trở dây quấn kích thích nối tiếp : R n = 0,1. Công suất định mức của động cơ : P đm = 16 kw. Tốc độ quay định mức của động cơ : n đm = 600 vòng/phút. a./ Tình dòng điện khởi động trực tiếp. b./ Tình điện trở R mm cần nối tiếp với động cơ để giảm dòng điện khởi động đến giá trị bằng.i đm. c./ Khi động cơ mang tải, nếu mạch điện vẫn còn đấu nối với điện trở R mm, xác định tốc độ quay của động cơ khi dòng qua động cơ đạt giá trị bằng định mức. GIẢI a./ Dòng điện khởi động trực tiếp của động cơ: V 0 Từ quan hệ (7.77), suy ra: I I 733,3 A mm tröïctieáp nm R R 0, 0,1 b./ Giá trị R mm để giảm dòng khởi động: Khi nối tiếp điện trở R mm với động cơ, dòng điện khởi động của động cơ được xác định theo quan hệ sau: V I mm R R R ö n mm Suy ra: V 0 R mm R R ö n 0, 0,1 1,79 0,3 0,979 0,98 I 86 mm c./ Giá trị tốc độ khi động cơ mang tải với dòng bằng I đm và động cơ nối tiếp R mm : Ta khảo sát các trạng thái sau: TRANG THÁI 1: Khi động cơ không đấu nối tiếp với điện trở R mm và mang tải đúng định mức (dòng điện I đm = 86A), tốc độ quay lúc đó bằng giá trị định mức n đm = 600 vòng/phút. TRANG THÁI : Khi động cơ đấu nối tiếp với điện trở R mm và dòng tải bằng giá trị định mức, tốc độ quay tại trạng thái này là n. Vì dòng điện kích thích trong hai trạng thái này cùng giá trị, nên từ thông kích thích tại hai trạng thái này bằng nhau. Xem như mạch từ chưa bảo hòa, lập tỉ số hai giá trị tốc độ: ö n n ñm V (R R ).I ö n ñm K. E kt và n V (R R R ).I ö n mm ñm K. E kt Suy ra: ñm ö n ñm n V R R R.I 0 0, 0,1 0,98.86 ö n mm ñm 109,9 n V R R.I 0 0, 0, , ,9 n 339,6 340 voøng / phuùt. 194,

100 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ: Đầu tiên cần xác định đặc tính momen điện tử theo dòng qua phần ứng, ta có quan hệ sau: Suy ra: P E.I K..n.I M 9,55. 9,55. 9,55. 9,55.K.A.I n n n M ñieäntöø ö E kt ö ñt E ö K.A.I (7.78) ñt M ö M 1 Khi dòng điện qua phần ứng có giá trị thấp mạch từ chưa bảo hòa, giá trị A xem là hằng số. Đặc tính momen điện từ theo dòng phần ứng của động cơ DC kích từ nối tiếp có dạng parabol đi qua gốc tọa độ (đường 1 trong hình H7.41). Khi có tính đến ma sát cơ và tổn hao thép đặc tính momen theo tốc độ có dạng là đường trong hình H7.41. Từ quan hệ (7.78) ta có: M ma saùt HÌNH 5.43 Tóm lại: Io Iu M dt (7.79) ö K.A M I Từ (7.79) và (7.76) suy ra quan hệ : n V R R M K,A E K.A. E K M.A ö n n V R R K.A K.A E E M. 9,549 ö (7.80) Từ quan hệ (7.80) cho thấy tốc độ n quan hệ với M theo quan hệ hàm nhất biến; do đó đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp cũng có dạng hàm hyperbol (tương tự như trường hợp đặc tính tốc độ). Momen khởi động động cơ được xác định từ (7.80) khi cho giá trị n = 0 hay thay dòng điện mở máy trực tiếpvào quan hệ (7.78); ta có kết quả sau: V M K.A. mm M R ö R n (7.81)

101 54 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7 BÀI TẬP CHƯƠNG 7 BÀI TẬP 7.1

102 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 CHƯƠNG DIODE VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 8.1.TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN: TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ HÌNH H 8.1 Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần tử đó. Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân chứa các hạt mang điện tích dương được gọi là proton và các hạt mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo bao quanh nhân. Với các nguyên tử khác loại số lượng electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau, xem hình H8.1. Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên bảng phân loại tuần hoàn tương ứng với nguyên tử số (atomic number). Nguyên tử số được xác định theo số lượng proton chứa trong nhân. Trong điều kiện bình thường các nguyên tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron và proton bằng nhau. Các điện tử chuyển động trên các tầng quỉ đạo quanh nhân với các khoảng cách khác nhau. Mỗi tầng quỉ đạo điện tử tương ứng với mức năng lượng khác nhau. Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn. Trong nguyên tử những quỉ đạo được ghép thành nhóm trong các băng năng lượng (energy bands) được gọi là shell. Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố định. Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng lượng cho phép. Mức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ đạo trong cùng một shell phải nhỏ hơn mức năng lượng chênh lệch giữa hai shell kế cận nhau. Các shell được đánh số thứ tự 1,, 3..từ trong nhân ra ngoài, xem hình H 8.. Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng cao nhưng kém liên kết chặt với nguyên tử so với các điện tử nằm gần nhân. Lớp shell nằm ngoài cùng được gọi là valence shell (lớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử hóa trị tham gia vào các phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các tính chất về điện của vật liệu. Khi nguyên tử hấp thu nhiệt năng hay quang năng, HÌNH H 8. năng lượng của các điện tử gia tăng. Các điện tử hóa trị có khả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị. Khi các điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron. Quá trình mất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là ion dương. Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do. Khi các electron hóa trị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên tử trung hòa cho ta ion âm. Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ: N n (8.1) e Trong đó, là số thứ tự của shell tính từ trong nhân ra phía ngoài.

103 58 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử. Những nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính dẫn điện của vật liệu. HÌNH H CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR) Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu, nguyên tử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và phần lỏi bao gồm nhân và các shell bên trong. Carbon là loại vật liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons hóa trị trên shell hóa trị và electron trên tầng trong cùng, nhân bao gồm 6 protons và 6 neutrons. Ta nói phần lỏi (core) của nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và electrons tạo nên, xem hình H8.3. Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Các chất dẫn điện rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng, nhôm. Nguyên tử hình thành các vật liệu này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron tự do. Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng chứa nhiều electrons tự do CHẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR) Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi trường. Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử. Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử. Trong chất cách điện rất hiếm các điện tử tự do CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR) Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt. Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon). Hợp chất bán dẫn như là: Gallinium Asernide. Với các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shell hóa trị DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS): Với shell hóa trị của nguyên tử biểu diễn mức của dãy năng lượng dùng kềm giữ các điện tử hóa trị trên shell hóa trị. Mức năng lượng này được gọi là dãy hóa trị (valence band). Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat khỏi shell hóa trị trở thành điện tử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy dẫn (conduction band) xem hình H8.4. Khoảng chênh lệch năng HÌNH H 8.4 lượng giữa dãy hóa trị và dãy dẫn được gọi là khe năng lượng (energy gap). Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượng để đến dãy dẫn, điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác.

104 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 59 Trong hình H8.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau: Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu. Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện. Khi khe năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do. Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn có rất nhiều điện tử tụ do SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: HÌNH H 8.5 Trong hình H8.5 trình bày nguyên tử của đồng là chất dẫn điện và nguyên tử Silicon của chất bán dẫn. Phần lõi của nguyên tử Silicon có điện tích tổng là +4 (14 ptotons và 10 electrons). Phần lõi của nguyên tử đồng có điện tích tổng là +1 (9 protons và 8 electrons). 4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng Phần lõi là vật thể đã loại trừ các điện tử hóa trị. Điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng cảm nhận lực hấp dẫn do điện tích +1 của phần lõi nguyên tử, trong khi điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon cảm nhận lực hấp dẫn do điện tích +4 từ phần lõi nguyên tử. Ta nói lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị HÌNH H 8.6 trong nguyên tử Silicon gấp 4 lần lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng. Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn so với năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử silicon.từ các nhận xét trên cho thấy điện tử hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon. Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều điện tử tự do.

105 60 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM: Trong hình H8.6. trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium. Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC intergrated circuit). Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa trị ( 4 điện tử hóa trị). Tuy nhiên các điện tử hóa trị của Germanium ở lớp shell thứ 4 trong khi các điện tử hóa trị của Silicon ở lớp shell thứ 3 gần nhân hơn. Điều này cho thấy khả năng hấp thu năng lượng để trở thành điện tử tự do của các điện tử hóa trị trong nguyên tử Germanium dễ dàng hơn các điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon. Do tính chất này Germanium thường không ổn định tại nhiệt độ cao, đây là lý do cơ bản khiến Silicon được dùng rộng rãi hơn NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS): HÌNH H 8.7 Khi các nguyên tử tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự sắp xếp theo mô hình đối xứng. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối kết với nhau bằng nối cộng hóa trị, kết nối này được hình thành do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các nguyên tử. Silicon là loại vật liệu tinh thể (crystalline material). Trong hình H8.7 trình bày cấu trúc của tinh thể Silicon tạo bởi các nguyên tử Silicon. Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận hình thành 4 nối cộng hóa trị. Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng hóa học. Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4 nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal) không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.8.8. Tinh thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN: HÌNH H8.8 Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử. Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng. Trong hình H8.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử).

106 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 61 Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0 o Kelvin TÍNH DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: HÌNH H8.9 Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do. Các điện tử tự do được gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons). Sự kiện này được trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram) và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) trong hình H8.10. Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể. Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole). Với mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H8.10. HÌNH H8.10 Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách ngẩu nhiên, xem hình H DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: HÌNH H8.11 Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem hình H.8.1., các điện tử tự do trong dãy dẫn sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực dương (+) của nguồn áp cung cấp.

107 6 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Sự chuyển động của các điện tử tự do trong tinh thể bán dẫn hình thành một loại dòng điện qua chất bán dẫn được gọi là dòng điện tạo bởi các điện tử (electron current). Một loại dòng điện khác xuất hiện trong dãy hóa trị khi lỗ trống được sinh ra. Các điện tử HÌNH H8.1 còn lại trong dãy hóa trị vẫn còn liên kết với các nguyên tử của chúng và không thể di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể như các điện tử tụ do. Tuy nhiên, điện tử hóa trị có thể di chuyển đến các lổ trống lân cận với sự thay đổi rất ít năng lượng của nó và tạo thành lổ trống khác khi điện tử hóa trị này di chuyển. Như vậy lỗ trống xem như di chuyển một cách thực sự từ vị trí này sang vị trí khác trong tinh thể chất bán dẫn. Sự di chuyển của các lổ trống hình thành dòng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 4 và tạo lổ trống thứ 5 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 5 và tạo lổ trống thứ 6 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ và tạo lổ trống thứ 3 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 3 và tạo lổ trống thứ 4 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 1 và tạo lổ trống thứ Điện tử tự do rời lổ trống trong shell hóa trị Khi điện tử hóa trị di chuyển từ trái sang phải lắp đầy lổ trống và tạo ra lổ trống khác, thì lổ trống xem như di chuyển ngược lại từ phải sang trái. Mủi tên màu xám chỉ hướng chuyển động thực sự của các lổ trống. HÌNH H BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P: Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số lượng rất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị. Silicon thuần khiết (hay germanium) phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích. Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết. Có hai loại vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách kiểm soát tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn thuần khiết. Phương thức này gọi là phụ gia làm tăng các hạt tải : điện tử hay lổ trống.

108 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 63 HÌNH H BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 5 được thêm vào. Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) và Sb (antimony). Trong hình H8.14 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận. Bốn điện tử hóa trị của Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên từ Si và một điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ do không liên kết với các nguyên tử. Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi là nguyên tử cho (donor atom). Số lượng điện tử tự do được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào. HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lổ trống trong dãy hóa trị. Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫn loại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử. Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải đa (majority carriers) trong bán dẫn loại n. Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng có một số lổ trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt. Các lổ trống này không được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5. Lổ trống trong chất bán dẫn n được gọi là hạt tải thiểu (minority carriers) BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 được thêm vào. Các nguyên tử có 3 điện tử hóa trị chẳng hạn như : B (boron); In (indium) và Ga (gallium). Trong hình H8.15 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử B với 4 nguyên tử Si lân cận. Ba điện tử hóa trị của B dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ trống. Nguyên tử có hóa trị 3 có thể lấy thêm một điện tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom). Số lượng lỗ trống được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo bởi phương thức trên không đi cùng với điện tử tụ do. HÌNH H8.15 HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p. Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi một điện tử, điện tích toàn phần của nguyên tử mang giá trị dương. Lổ trống xem là hạt tải đa trong bán dẫn loại p. Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một số điện tử tự do sinh ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài. Các điện tử tự do này không được tạo do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3. Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu.

109 64 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 8..DIODE: 8..1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CẤU TẠO: Bán dẫn p Tiếp giáp pn Bán dẫn n Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản. Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một hướng định trước. Trong hình H8.16 trình bày cấu tạo cơ bản của mối nối pn, trong vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) và có vài điện tử tử do (hạt tải thiểu) sinh ra do tác dụng nhiệt. Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do (hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu). Lổ trống Điện tử tự do HÌNH H8.16 Như đã trình bày trong các mục trên, bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3 như boron. Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. Tương tự, bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 5 như antimony. Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. 8...VÙNG NGHÈO (DEPLETION REGION): Với cấu tạo của mối nối pn trong hình H8.16, các điện tử tự do trong vùng n di chuyển một cách ngẫu nhiên theo mọi hướng. Khi đã tạo thành mối nối pn, các điện tử tự do gần mối nối trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang vùng p, tại dây chúng tái hợp với các lỗ trống gần mối nối, xem hình H Tiếp giáp pn Vùng nghèo (deplete region) a./ Tại lúc hình thành mối nối pn, các điện tử tự do trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang mối nối và tái hợp với các lỗ trống năm gần mối nối trong vùng p HÌNH H8.17 HÌNH H8.18 Điện thế rào cản (Barrier Voltage) b./ Với mỗi điện tử tự đo khuếch tán sáng mối nối và tái hợp với lổ trống, điện tích dương để lại trong vùng n và điện tích âm hình thành trong vùng p. Các điện tích này tạo thành điện thế rào cản. Tác động này diển tiến tiếp tục cho đến khi điện thế rào cản ngăn được quá trình khuếch tán

110 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 65 Khi hình thành mối nối pn, vùng n mất đi điện tử khi khuếch tán sang mối nối. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích dương gần mối nối. Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p sẽ mất đi các lổ trống do sự tái hợp. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích âm gần mối nối. Hai lớp điện tích dương và âm tạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình H8.17. Danh từ nghèo được sử dụng cho vùnbg gần tiếp giáp pn do sự thiết hụt các hạt tải tùy thuộc vào quá trình khuếch tán tại mối nối. Cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành rất nhanh và có độ dầy rất mỏng so với độ dầy của các lớp bán dẫn p và n. Quá trình khuếch tán chấm dứt khi vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản các điện tử đi qua mối nối ĐIỆN THẾ RÀO CẢN (BARRIER POTENTIAL): Tại bất kỳ lúc nào có điện tích dương và điện tích âm đặt gần nhau thì có lực tương tác giữa các điện tích theo luật Coulomb. Trong vùng nghèo có nhiều điện tích dương và điện tích âm xếp đối diện nhau tại tiếp giáp pn. Lực tương tác giữa các điện tích trái dấu hình thành điện trường, xem hình H8.18. Điện trường này có khuynh hướng ngăn cản các điện tử tự do trong vùng n vượt qua tiếp giáp pn và mức năng lượng phải được dùng đến để di chuyển điện tử qua khỏi vùng nghèo. Như vậy cần cấp năng lượng ngoài để điện tử di chuyển ngang qua vùng có điện trường rào cản trong vùng nghèo. Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo là lượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự do qua khỏ điện trường rào cản. Điện thế chênh lệch này gọi là điện thế rào cản được tính bằng Volt. Nói một cách khác,cần một lượng điện áp nào đó bằng điện thế rào cản vàcó cực tính tương ứng được đặt ngang qua tiếp giáp pn trước khi các điện tữ tụ do hình thành dòng ngang qua mối nối. Quá trình này được gọi là phân cực. Điện thế rảo cản phụ thuộc vào một số các hệ số bao gồm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng tạp chất và nhiệt độ. Với Silicon điện thế rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V và với Germanium điện thế rào cản có giá trị khoảng 0,3 V tại nhiệt độ môi trường 5 o C GIẢN ĐỔ NĂNG LƯỢNG TẠI MỐI NỐI PN VÀ VÙNG NGHÈO Hạt tải thiểu Hạt tải đa Dãy dẫn Dãy dẫn Dãy hoá trị Dãy hoá trị Hạt tải đa Hạt tải thiểu a./ Tại lúc hình thành tiếp giáp pn Vùng nghèo b./ Tại trạng thái cân bằng HÌNH H8.19 Các dãy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu n có các mức năng lượng hơi thấp hơn so với mức năng lượng của các dảy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu p. Điều này là do sự khác biệt tính chất nguyên tử giữa các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 và hóa trị 5 tạo nên. Giản đồ phân bố năng lượng của mối nối pn trình bày trong hình H8.19.

111 66 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Các điện tử tự do trong chất n choán đầy vùng trên của dãy dẫn tại mức năng lượng đủ để khuếch tán dễ dàng qua mối nối, các điện tử này không cần tích lủy thêm năng lượng. Sau khi khuếch tán qua mối nối, các điện tử này thải ra nhanh chóng năng lượng và rơi vào các lỗ trống trong vùng p trên dãy hóa trị (xem hình H8.19 a). Khi sự khuếch tán diển tiến tiếp tục bắt đầu tạo thành vùng nghèo, mức năng lượng của dãy dẫn trong vật liệu n giảm dần. Sự giảm thấp mức năng lượng trong dãy dẫn trong vật liệu n tùy thuộc năng lượng thải ra của các điện tử tự do khi thực hiện quá trình tái hợp khi chúng khuếch tán sang vật liệu p. Khi không còn các điện tử tự do rời khởi dãy dẫn trong vùng n sang mối nối pn mực trên của dãy dẫn vùng n và mực dưới của dãy dẫn vùng p thẳng hàng với nhau. Tại lúc này mối nối đạt trạng thái cân bằng và vùng nghèo được hình thành. Ngang qua vùng nghèo có một mức chênh lệch năng lượng tác động một đồi năng lượng ( energy hill ) ngăn cản các điện tử tự do từng vùng n leo sang vùng p. Cần chú ý khi mức năng lượng của dãy dẫn trong vùng n hạ thấp thì mức năng lượng của dãy hóa trị cũng giảm thấp PHÂN CỰC DIODE: PHÂN CỰC THUẬN: Phân cực diode là cấp điện áp một chiều (DC) ngang qua hai đầu diode. Phân cực thuận là sự phân cực tạo điều kiện thuận lợi cho dòng đi ngang qua mối nối pn. Điện áp phân cực ngoài được ký hiệu là V BIAS, cần nối tiếp diode với điện trở ngoài để giới hạn dòng có giá trị quá lớn qua diode, có thể làm hỏng mối nối pn. Khi phân cực thuận, cần nhớ: HÌNH H8.1 Đầu () của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode. Đầu (+) của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode. Giá trị của điện áp V BIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế rào cản. HÌNH H8.0 Hình H8.1 trình bày quá trình hình thành dòng qua diode lúc phân cực thuận. Quá trình này được hình dung như là quá trình đẩy các điện tử tử do là các hạt tải chính từ vùng n qua mối nối pn đến vùng p. Vì nguồn áp phân cực được cấp liên tục, duy trì dòng điện tử qua mạch ngoài sau khi qua vùng p. Như đã trình bày trong các mục trên, sau khi các điện tử đến vùng p thải bớt các năng lượng và rơi vào dãy hóa trị vùng p, trong dãy này hiện các lỗ trống là các hạt tải đa. Lúc này quá trình tái hợp sẽ không diễn ra vì tác dụng của cực (+) nguồn áp V BIAS có khuynh hướng tác động kéo các điện tử đi về phía nguồn. Các lổ trống trong vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way) để các điện tử hóa trị đi ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống này sang lỗ trống kế tiếp để đi đến cực dương cũa nguồn áp phân cực. Chúng ta có thể xem như lổ trống làm thành phương tiện để các điện tử đi ngang qua vùng p.

112 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 67 Khi các điện tử qua khỏi vùng p, các điện tử trờ thành các điện tử dẫn trong vật dẫn. Hơn nữa với vật dẫn điện do dãy hóa trị và dãy dẫn nằm chồng lên nhau nên các điện tử trong vật dẫn trở thành điện tử tự do dễ dàng hơn so với trường hợp bán dẫn. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN VÙNG NGHÈO Khi có nhiều điện tử đi ngang qua vùng nghèo, số lượng ion dương giảm xuống, tương tự khi có nhiều lỗ trống đi ngang qua vùng nghèo số lượng ion âm giảm xuống. Quá trình giảm thấp các ion dương và ion âm trong vùng này làm thu hẹp vùng nghèo. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN ĐIỆN THẾ RÀO CẢN Theo phân tích trên chính các ion dương và ion âm trong vùng nghèo phân bố hai phía mối nối pn tạo thành đồi năng lượng ngăn càn các điện tử tự do khuếch tán sang mối nối tại trạng thái cân bằng. Đồi năng lượng này chính là điện thế rào cản. Khi phân cực thuận, các điện tử tự do được cung cấp đủ năng lượng do nguồn áp phân cực ngoài vượt qua điện thế rào cản leo qua đồi năng lượng đi ngang qua vùng nghèo. Năng lượng cần cung cấp cho các điện tử bằng với năng lượng của điện thế rào cản. Nói cách khác các điện tử nhận được năng lượng ngoài bằng với điện thế rào cản và đi qua vùng nghèo PHÂN CỰC NGHỊCH: Phân cực nghịch là điều kiện cần thiết ngăn cản dòng điện đi qua diode. Trong hình H8. trình bày nguồn DC cấp vào diode theo trạng thái tạo phân cực nghịch: đầu (+) của áp phân cực V BIAS được nới đến vùng n của diode và đầu ( ) được nối đến vùng p của diode. Vùng nghèo sẽ tăng rộng hơn so với trạng thái phân cực thuận hay trạng thái cân bằng. Đầu (+) của nguồn áp phân cực kéo các điện tử tự do là các hạt tải đa trong vùng n ra xa khỏi mối nối pn. Khi các điện tử di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng nghèo làm giảm các hạt tải đa, xem hình H8.3. Trong vùng p, các điện tử từ đầu ( ) của nguồn áp đi vào như là các điện tử hóa trị di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác lân cận để đến vùng nghèo tạo thành các ion âm. Hiện tượng này làm mở rộng vùng nghèo. Dòng điện tử hóa trị có thể xem tương HÌNH H8.3: đương như dòng lổ trống được kéo về phía đầu () của nguồn áp phân cực. Quá trình quá độ của các hạt tải diễn ra và kết thúc trong khoảng thời gian rất ngắn ngay sau khi cấp điện áp phân cực vào diode. Khi vùng nghèo mở rộng và giảm nhanh các hạt tải đa, điện trường tạo bởi các ion dương và ion âm gia tăng cho đến khi tạo thành điện áp ngang qua vùng nghèo có giá trị bằng điện áp phân cực.tại lúc này dòng quá độ chấm dứt và cho dòng phân cực ngược có giá trị rất bé. DÒNG PHÂN CỰC NGƯỢC HÌNH H8. Dòng điện phân cực ngược có giá trị rất bé xuất hiện ngay sau khi dòng qua độ kết thúc, dòng điện này được tạo nên do các hạt tải thiểu trong vùng n và p tạo ra, đây là các cặp điện tử lổ trống tạo ra do ảnh hưởng của nhiệt độ.

113 68 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Một lượng nhỏ của các điện tử tự do trong vùng p được đẩy đến mối nối pn do tác dụng của đầu () của nguồn áp phân cực. Đến vùng nghèo các điện tử thải ra năng lượng và kết hợp với các hạt tải thiểu trong vùng n như các điện tử hóa trị và đi đến đầu (+) của nguồn áp phân cực tạo thành dòng lổ trống rất bé. Vì dảy dẫn trong vùng p có mức năng lượng cao hơn dảy dẫn trong vùng n, do đó các điện tử là các hạt tải thiểu dễ dàng đi ngang qua vùng nghèo vi chúng không cần thêm tích lủy thêm năng lượng. Dòng điện ngược trong diode khi phân cực ngược HÌNH H8.4: được trình bày trong hình H8.4. PHÁ VỞ PHÂN CỰC NGƯỢC (REVERSE BREAKDOWN) Dòng điện phân cực nghịch thường có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua. Mặc dù vậy, khi điện áp ngoài phân cực ngược được gia tăng đến giá trị được gọi là điện áp phá vở (breakdown voltage), dòng điện ngược gia tăng một cách mãnh liệt. Với giá trị cao của điện áp phân cực ngược mang đến năng lượng cho các điện tử tải thiểu, làm tăng tốc cho chúng đi qua vùng p va chạm các nguyên tử với mức năng lượng đủ lớn làm bật ra các điện tử hóa trị khỏi quỉ đạo trong dảy dẫn. Các điện tử hóa trị bị đánh bật khỏi quỉ đạo tăng nhanh số lượng, khi các điện tử có mức năng lượng cao qua được vùng nghèo chúng có đủ năng lượng để đến vùng n như các điện tử dẫnvà không thực hiện quá trình tái hợp với lổ trống. Quá trình nhân các điện tử dẫn như vừa trình bày được gọi là hiện tượng avalanche và tạo ra dòng điện ngược có giá trị rất lớn có thể phá hủy diode do quá trình nhiệt tiêu tán trong diode tăng quá mức ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE: ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC THUẬN (FORWARD BIAS): a./ Điện áp phân cực thuận thấp V F < 0,7 V dòng điện phân cực thuận rất bé. HÌNH H8.5 b./ Điện áp phân cực thuận đạt đến và duy trì V F = 0,7 V Dòng điện phân cực tiếp tục gia tăng khi áp phân cực V BIAS gia tăng.

114 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 69 Đặc tuyến Volt Ampere là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode. Thực hiện mạch thí nghiệm theo hình H8.5 để xác định đặc tuyến Volt Ampere cho diode lúc phân cực thuận, gọi: V : điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận. F V : điện áp phân cực cấp vào mạch diode. BIAS I : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận. F Kết quả thí nghiệm ghi nhận như sau: Khi VF 0V không có dòng qua diode I F 0A điện áp V gia tăng và dòng phân cực thuận I F F gia tăng dần. Khi điện áp V BIAS đến mức để điện áp V F 0,7V qua vùng nghèo của mối nối pn, dòng điện I F gia tăng nhanh.. Khi gia tăng điện áp ngoài phân cực V BIAS, xấp xỉ bằng điện thế rào cản đặt ngang Khi tiếp thục gia tăng điện áp V, dòng điện I BIAS F càng gia tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7 V. I F I F a./ Đặc tuyến Volt Ampere lúc phân cực thuận diode. V F V b./ Mở rộng đặc tuyến trong hình a. Điện trở động r d giảm dần giá trị khi điểm làm việc di chuyển lên phía trên F HÌNH H8.6: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực thuận của diode ĐIỆN TRỞ ĐỘNG (DYNAMIC RESISTANCE): Khi mở rộng (hay khuếch đại) đặc tuyến Volt Ampere của diode lúc phân cực thuận như trong hình H8.6 b, điện trở động của diode được định nghĩa như sau: r' V F (8.) d IF Điện trở động lúc phân cực thuận diode không là hằng số và có giá trị thay đổi dọc theo đặc tuyến. Điện trở động còn được gọi là điện trở AC. Chú ý theo lý thuyết của linh kiện bán dẫn các điện trở nội bên trong các linh kiện điện tử được ký hiệu bằng các ký tự thường như là r thay vì dùng ký hiệu R. Giá trị điện trở động bắt đầu giảm trong vùng khuỷu (knee) của đặc tuyến và có giá trị nhõ hơn trên vùng cao hơn điểm khuỷu.

115 70 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC NGHỊCH (REVERSE BIAS): Khi cấp điện áp ngoài phân cực nghịch ngang qua hai đầu diode, ta chỉ nhận được dòng điện ngược I R có giá trị rất nhỏ đi ngang qua mối nối pn. Với điện áp ngang qua diode là 0V sẽ HÌNH H8.7: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực nghịch của diode không tạo thành dòng điện ngược I R 0A. Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, ta nhận được dòng điện ngược rất bé và điện áp ngược V đặt ngang qua hai đầu diode. Khi điện áp phân cực nghịch gia tăng đến mức cao hơn, áp ngược V đặt trên hai đầu diode đạt đến R mức bằng áp phá vở phân cực nghịch V dòng điện BR ngược gia tăng rất nhanh. Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực ngược, dòng điện tiếp tục gia tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode chỉ hơi gia tăng so với giá trị V. Trạng thái BR phá vở với các trường hợp ngoại lệ không là trạng thái làm việc bình thường của hầu hết các mối nối bán dẫn pn. Đặc tuyến volt Ampere của diode lúc phân cực nghịch trình bày trong hình H ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE: R Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp của diode cho các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch trình bày trong hình H8.8. Cần chú ý thang đo dòng I F tính theo [ma] ; trong khi thang đo của dòng I R Itính theo [µa]. ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ HÌNH H8.8: Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch của diode Khi nhiệt độ gia tăng, trên đặc tuyến phân cực thuận dòng I F gia tăng khi xét tại điện áp V F định trước. Ngược lại tươg ứng với giá trị dòng phân cực thuận I chọn F trước áp phân cực thuận V giảm. F Điện thế rào cản giảm thấp giá trị khi nhiệt độ gia tăng. Với đặc tuyến phân cực nghịch khi nhiệt độ gia tăng dòng phân cực nghịch I R gia tăng. Sự khác biệt giữa các đặc tuyến Volt Ampere vẽ tại 5 o C và tại nhiệt độ cao hơn trình bày trong hình H8.8. Điều quan trọng cần nhớ, dòng phân cực nghịch trước khi xãy ra hiện tượng phá vở phân cực nghịch (breakdown) có giá trị rất thấp không đáng kể có thể bỏ qua.

116 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE THEO SCHOCKLEY: Theo lý thuyết Vật Liệu Bán Dẫn, áp dụng hàm xác suất theo Fermi-Dirac để tiên đoán sự trung hòa điện tích ta có được phương trình tỉnh (không thay đổi theo thời gian) của dòng điện qua mối nối pn của diode xác định theo William Bradford Schockley: vd.vt id I o. e 1 (8.3) Trong đó: kt VT [V], với hằng số Boltzmann k = 1, [J/ o K] và T [ o K] là nhiệt độ tuyệt đối q tại mối nối pn của diode. i D [A] : dòng tức thời qua diode. v D [V] : điện áp tức thời đặt ngang qua hai đầu diode. q [C] : điện tích của electron (âm điện tử); q = 1, C. : hằng số tới hạn ( = 1 cho Ge và = cho Si ) I o [A] : dòng điện bảo hòa tại trạng thái phân cực nghịch. THÍ DỤ 8.1: GIẢI Nên: Suy ra: Như vậy: Tại nhiệt độ môi trường 7 o C xác định giá trị áp V T trong quan hệ (8.3). Ta có nhiệt độ tuyệt đối ứng với 7 o C xác định theo quan hệ: o o T K 73 C (8.4) T = = 300 o K 3 kt 1, VT 58, V q 1,6.10 V T = 5,875 mv Với diode loại Si ta suy ra quan hệ sau v v D D 19,337.v.V.0,05875 T D Phương trình đặc tuyến Volt Ampere của diode Si tại nhiệt độ 7 o C được viết lại như sau: Vì 19,337.v i I. e D 1 (8.5) D o 19,337.vD e 1 ta viết lại dạng gần đúng cho quan hệ (8.5) như sau: D i I. e 19,337.v (8.6) D o Tương tự quan hệ (8.3) được viết lại theo dạng gần đúng như sau: vd.vt i I.e (8.7) D o Từ quan hệ (8.) định nghĩa cho điện trở động của diode, dựa vào quan hệ (8.7) ta suy ra biểu thức xác định điện trở động của diode lúc phân cực thuận theo quan hệ sau: r' dv D (8.8) D did

117 7 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Viết lại quan hệ (8.7) theo dạng sau: Suy ra: v r' D D i D.V T.Ln. Io dv D.V di i D D T (8.9) (8.10) Tại nhiệt độ môi trường 7 o C (tương ứng 300 o K) quan hệ (8.10) được viết lại như sau: r' D.0,058 i D (8.11) Với diode thuôc loại Ge hằng số tới hạn = 1, điện trở động của diode Ge tại nhiệt độ 7 o C được xác định theo quan hệ: r' D Ge 0,06 i D (8.1) Tương tự với diode thuôc loại Si hằng số tới hạn =, điện trở động của diode Si tại nhiệt độ 7 o C được xác định theo quan hệ: r' D Si 0,05 i 8.3.CÁC MÔ HÌNH CỦA DIODE: D (8.13) Trong hình H8.9 trình bày hình dạng của các diode dùng trong thực tế. Mục tiêu chính của diode dùng thực hiện mạch chỉnh lưu. A K Vùng n của mối nối pn được gọi là cathod, ký hiệu là K và vùng n được gọi là anod, ký hiệu là A HÌNH H8.9: Hình dạng của một số mẫu diode thực. DIODE LÝ TƯỜNG: MÔ HÌNH Mô hình diode lý tưởng được xem tương đương như khóa điện. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến.

118 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 73 R : Điện trở giới hạn dòng trong mạch diode LIMIT Diode lý tưởng Diode lý tưởng a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng HÌNH H8.30 Trong hình H8.30 trình bày đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng. Khi bỏ qua điện thế rào cản và điện trở động của diode khi phân cực thuận diode điện áp đặt ngang qua đầu diode là V 0V. Dòng điện phân cực thuận được xác định theo định luật Ohm như sau: F VBIAS I (8.14) F R LIMIT Khi bỏ qua dòng điện ngược, I R 0A, điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp V BIAS. Mô hình diode lý tưởng thường được áp dụng trong trường hợp cần xác định nguyên tắc hoạt động của mạch điện tử (xác định định tính) và chưa cần quan tâm đến các giá trị chính xác của áp và dòng trong mạch (chưa cần thiết xác định định lượng một cách chính xác) MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CỦA DIODE: Mô hình thực nghiệm của diode chính là mô hình lý tưởng của diode được thêm vào điện thế rào cản. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản V 0,7V. Điện áp F này duy trì giá trị trong suốt quá trình phân cực thuận Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. Điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến. Diode thực nghiệm Diode thực nghiệm a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode thực nghiệm HÌNH H8.31

119 74 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Dòng phân cực thuận xác định theo định luật K như sau, xem hình H8.31 a: Suy ra: V V R.I BIAS F LIMIT F V V BIAS F (8.15) F RLIMIT I Dòng điện ngược qua diode là I R MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH CỦA DIODE: 0A, điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp V BIAS. Diode hoàn chỉnh Diode hoàn chỉnh Độ dốc phụ thuộc vào giá trị điện trở thuận Dòng điện ngược nhỏ tùy thuộc vào điện trở ngược có giá trị lớn a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh HÌNH H8.3 Mô hình hoàn chỉnh của diode bào gồm: mô hình của diode lý tưởng thêm vào điện thế rào cản, điện trở động phân cực thuận có giá trị nhỏ r' và điện trở nội phân cực nghịch r' có giá trị lớn. R Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 0,7 V và nối tiếp với điện trở động r'. d Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện hở mạch, đấu song song với điện trở nội phân cực nghịch r'. Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. R Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh trình bày trong hình H8.3c. Điện áp xuất hiện ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận xác định theo quan hệ sau: V 0,7V r'.i (8.16) F d F Dòng qua diode tại trạng thái phân cực thuận xác định theo quan hệ: I F V 0,7V BIAS R r' LIMIT Dòng điện ngược tại trạng thái diode phân cực nghịch : d d (8.17) I R R V LIMIT BIAS r' R (8.18)

120 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 75 THÍ DỤ 8.: HÌNH H8.33 a./ Xác định điện áp và dòng phân cực thuận qua diode trong hình H8.33a. Suy ra áp đặt ngang qua hai đầu điện trở hạn dòng R LIMIT. Giả sử điện trở động của diode r' d 10 tại dòng phân cực thuận của diode cần tìm. b./ Tìm áp và dòng phân cực ngược của diode trong hình H8.33b theo từng dqạng mẫu của diode. Suy ra điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R LIMIT. Giả sử dòng phân cực ngược I R 1 A GIẢI: a./ Với mẫu diode lý tưởng: VF 0V V 10 V BIAS F R 1k LIMIT I R F LIMIT LIMIT 10mA V I R 10mA 1k 10V Với mẫu thực nghiệm của diode V 0,7V F V V BIAS R 10 V 0,7 V I 9,3mA F R 1k LIMIT V I R 9,3mA 1k 9,3V R F LIMIT LIMIT Với mẫu diode hoàn chỉnh V 0,7 10 V 0,7 V 9,3V BIAS I 0,0091 A 9,1mA F R r ' 1k LIMIT d F d F V 0,7V r'.i 0,7V 10 9,1mA 79mV V I R 9,1mA 1k 9,1V R F LIMIT LIMIT a./ Với mẫu diode lý tưởng: IR 0A V V 5V R BIAS VR LIMIT 0V Với mẫu thực nghiệm của diode IR 0A V V 5V R BIAS VR LIMIT 0V Với mẫu diode hoàn chỉnh IR 1 A R R LIMIT LIMIT V I R 1A 1k 1mV V V V 5 V 1mV 4,999 V R BIAS R LIMIT

121 76 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHỈNH LƯU BÁN KỲ (HALF-WAVE RECTIFIERS) : Do khả năng dẫn dòng theo một hướng và không dẫn dòng theo hướng ngược lại, các diode được dùng trong các mạch chỉnh lưu biến đổi áp AC thành áp DC. Mạch chỉnh lưu được tìm thấy trong các bộ nguồn DC hoạt động khi được cấp nguồn AC. Bô nguồn cung cấp là bộ phận cần thiết cho hệ thống mạch điện tử đơn giản cũng như phức tạp BỘ NGUỒN DC CƠ BẢN: Bộ nguồn DC biến đổi nguồn áp xoay chiều 0 V 50 Hz của nguồn lưới 1 pha sang nguồn áp DC có giá trị ổn định. Sơ đồ khối cơ bản của mạch chỉnh lưu và bộ nguồn hoàn chỉnh trình bày trong hình H8.34. Nguồn áp 1 pha 0V - 50Hz Điện áp của chỉnh lưu bán kỳ Chỉnh Lưu RECTIFIER MẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ Nguồn áp 1 pha 0V - 50Hz Điện áp chỉnh lưu được lọc phẳng Điện áp được ổn áp Chỉnh Lưu RECTIFIER Bộ lọc FILTER Mạch Ổn Áp REGULATOR SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ NGUỒN DC HOÀN CHỈNH: CHỈNH LƯU, LỌC VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HÌNH H8.34: Sơ đổ khối của mạch chỉnh lưu và bộ nguồn cung cấp có lọc phẳng và ổn định điện áp Trong sơ đồ khối của bộ nguồn DC hoàn chỉnh, bộ lọc có công dụng khử đi sự nhấp nhô của điện áp điện áp sau khi chĩnh lưu để nhận được tín hiệu áp ngõ ra tương đối phẳng hơn. Bộ ổn áp có công dụng duy trì không đổi giá trị áp DC ra khi điện áp nguồn thay đổi hay khi tải thay đổi giá trị. Bộ ổn áp có thể là linh kiện đơn hay các mạch điện tử tích hợp phức tạp tùy thuộc vào độ lớn của dòng tải hay phạm vi biến thiên điện áp của nguồn AC cung cấp.

122 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ: a./ Trong suốt bán kỳ dương của áp vào xoay chiều, áp ngõ ra có dạng giống như áp xoay chiều cấp vào. Dòng đi qua dioode và quay về nguồn b./ Trong suốt bán kỳ âm của áp vào xoay chiều, dòng qua diode bằng 0A nên áp ngõ ra mạch chỉnh lưu cũng bằng 0 V Trong hình H8.35, trình bày mạch điện bao gồm: nguồn áp xoay chiều hình sin, 1 diode và 1 điện trở tải R L tạo thành mạch chỉnh lưu bán kỳ. Cần chú ý trong mạch tại các vị trí vẽ theo ký hiệu nối đất là các nút chuẩn đẳng thế với nhau, tại các vị trí này có điện thế là 0V. Áp nguồn V in cấp đến ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng sin, khi V in 0V (tương ứng bán kỳ dương) diode phân cực thuận và cho dòng đi qua điện trở tải. Dòng điện này hình thành áp trên tải R L có cùng dạng với áp V in. c./ Áp chỉnh lưu bán kỳ trên ngõ ra, vẽ trong 3 chu kỳ của áp vào HÌNH H8.35: Hoạt động mạch chỉnh lưu bàn kỳ với diode lý tưởng. khi V in 0V (tương ứng bán kỳ âm) diode phân cực nghịch không cho dòng đi qua nên áp trên tải bằng 0V. Tóm lại áp trên tải đồng dạng với áp V in ờ bán kỳ dương và bằng 0V khi V in xuất hiện bán kỳ âm GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH CỦA ÁP CHỈNH LƯU BÁN KỲ: HÌNH H8.36: Với tín hiệu hình sin cấp vào mạch chỉnh lưu bán kỳ có dạng tức thời: v(t) V sin max t V Điện áp tức thời trên điện trở tải được xác định theo quan hệ sau: (8.19) Gọi V là điện áp đỉnh của tín hiệu áp chỉnh lưu, ta có : V V P P max Gọi V là điện áp trung bình của áp chỉnh lưu, giá trị này được đo trực tiếp bằng Volt kế AVG một chiều (hay bằng máy đo VOM ở thang đo Volt DC). Theo toán học ta có định nghĩa của áp trung bình như sau: V out out v t 0 khi t AVG 0 Trong đó T là chu kỳ của hàm v(t). max v t V.sin t khi 0 t 1 T v t.dt T (8.0)

123 78 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Với áp chỉnh lưu trên ngõ ra có dạng (8.19), giá trị trung bình xác định theo quan hệ sau: Thu gọn, ta có: 1 V V V sin t.d t cos t AVG m 0 0 m V m V AVG V p (8.1) Gọi V là giá trị hiệu dụng của áp cấp vào mạch chỉnh lưu, quan hệ (8.1) được viết lại RMS theo dạng sau: V AVG V 0,45.V RMS RMS (8.) THÍ DỤ 8.3: Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với điện trở tải R 4 và áp tức thời ngõ vào là: v t 1.sin 100.t V. Khi xem như diode là lý tưởng, xác định định áp, dòng trung bình và công suất một chiều P trên tải. DC L GIẢI Áp hiệu dụng ngõ vào mạch chỉnh lưu là: V 1V. RMS Áp trung bình trên tải được xác định theo quan hệ (8.): V 0,45.V 0,45.1 5,4 V AVG RMS Dòng trung bình qua tải được xác định theo định luật Ohm: VAVG 5,4 I 0,5 A 5 ma AVG R 4 L Công suất một chiều tiêu thụ trên tải: P V.I 5,4 0,5 1,15 W DC AVG AVG ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN THẾ RÀO CẢN LÊN TÍN HIỆU RA CỦA MẠCH CHỈNH LƯU: Khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode với điện thế rào cản là 0,7 V. Trong suốt bán kỳ dương của áp ngõ vào diode sẽ phân cực thuận khi vin t 0,7V. Điều này dẫn đến điện áp đỉnh của áp trên ngõ ra chỉnh lưu sẽ thấp hơn giá trị áp đỉnh của áp ngõ vào là 0,7 V. Ảnh hưởng của điện thế rào cản trên áp ngõ ra mạch chỉnh lưu được xét đến khi biên độ của áp ngõ vào mạch chỉnh lưu có giá trị thấp. Trong một số tài liệu khi biên độ của áp ngõ vào nhỏ hơn 10V ta cần chú ý đến đến ảnh hưởng trên. Trong trường hợp tín hiệu có biên độ lớn hơn, ảnh hưởng của điện thế rào cản được bỏ qua, xem như diode chỉnh lưu là lý tưởng. THÍ DỤ 8.4: Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với áp ngõ vào có dạng sin tần số 50 Hz, biên độ là 5V, xem hình H8.37. Xác định áp ngõ ra của mạch chỉnh lưu.

124 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 79 GIẢI HÌNH H8.37 v t v t V 0,7V L in F Khi diode phâncực thuận V 0 F tức thời trên ngõ ra có dạng: v t 5 sin 100.t 0,7 V L Các dạng áp tức thời Khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode, áp dụng định luật K ta có phương trình cân bằng áp như sau: in F L v t V 0,7V v t Trong đó 0,7V là điện thế rào cản và V là điện áp đặt ngang qua hai đầu diode, với F diode là lý tưởng. Tóm lại quan hệ xác định áp tức thời trên tải có dạng sau: v t 5.sin 100.t V áp và áp vào tức thời có dạng v in t và v L t được trình bày trong hình H8.38 như sau: Áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu Áp vào mạch chỉnh lưu HÌNH H8.38: Áp tức thời ngõ vào và ngõ ra mạch chỉnh lưu khi xét đến ảnh hường của điện thế rào cản.

125 80 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐIỆN ÁP NGƯỢC ĐỈNH TRÊN DIODE (PIV - PEAK INVERSE VOLTAGE): Điện áp ngược đỉnh là giá trị tối đa của điện áp ngược đặt lên hai đầu diode lúc phân cực nghịch. Giá trị này bằng với biên độ của áp sin trên ngõ vào của mạch chỉnh lưu. Ký hiệu cho điện áp ngược đỉnh là PIV, giả sử áp tức thời trên ngõ vào mạch chỉnh lưu có v t V.sin t V, ta có: dạng in m PIV V m (8.3) CHỈNH LƯU BÁN KỲ PHỐI HỢP VỚI BIẾN ÁP CÁCH LY GIẢM ÁP: Máy biến áp 1 pha với dây quấn sơ và thứ cấp độc lập còn được gọi là biến áp cách ly hay biến áp 1 pha hai dây quấn. HÌNH H8.39 Nguồn áp xoay chiều được cấp vào sơ cấp của biến áp, áp xoay chiều trên thứ cấp biến áp được cấp vào mạch chỉnh lưu, xem hình H8.39. Khi sử dụng phối hợp biến áp với mạch chỉnh lưu, chúng ta có được các lợi điểm như sau: Có thể điều chỉnh tăng hay giảm điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu. Nguồn áp xoay chiều được cách ly với mạch chỉnh lưu đảm bảo được các sự cố nguy hiểm trên phía thứ cấp biến áp. Các thông số tính toán cho mạch chỉnh lưu trong trường hợp này thực hiện theo các nội dung trên, tuy nhiên cần chú ý thêm thông số tỉ số biến áp để phối hợp các giá trị tính toán. Với các mạch chỉnh lưu có công suất thấp, trong các trường hợp tính toán ta giả thiết biến áp 1 pha có hiệu suất 100 % (biến áp lý tưởng); áp thứ cấp lúc không tải và khi mang tải xem như không thay đổi giá trị. Với những bài toán thực tế cần phối hợp kiến thức của máy biến áp để hiệu chỉnh các giá trị tính toán đặc biệt là trong các trường hợp mạch chỉnh lưu có công suất lớn. THÍ DỤ 8.4: V V 1 HÌNH H8.40 GIẢI Theo giả thiết ta có tỉ số biến áp là : E V 1 1dm K ba E V 1 dm Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ lắp tại thứ cấp của máy biến áp 1 pha có tỉ số biến áp và áp ngõ vào sơ cấp theo hình H8.40. Giả sử không quan tâm đến độ thay đổi áp ở thứ cấp khi mang tải, xác định các thông số của tải trên ngõ ra của mạch chỉnh lưu. Biên độ áp ngõ vào biến áp : V1m 156 V Biên độ áp ngõ ra thứ cấp: V m V 156 1m K ba 78V

126 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 81 Điện áp trung bình trên tải: V 78 m V 4,83V AVG Dòng trung bình qua tải: I AVG V AVG R L 4,83 V 1K 4,83mA Công suất DC tiêu thụ trên tải: P V I 4,83 0,0483 0,616 W DC AVG AVG Điện áp ngược đỉnh trên diode: PIV V 78 V m 8.5.CHỈNH LƯU TOÀN KỲ (FULL- WAVE RECTIFIERS) : TỔNG QUAN: Mặc dù chỉnh lưu bán kỳ cũng có một số ứng dụng nhưng chỉnh lưu toàn kỳ (chỉnh lưu hai bán kỳ) thường được sử dụng nhiều hơn trong các bộ nguồn DC. Chỉnh lưu toàn kỳ có hai dạng: chỉnh lưu dùng hai diode phối hợp máy biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu Graetz. Chỉnh lưu toàn kỳ cho phép dòng điện qua tải chỉ theo duy nhất một hướng trong suốt chu kỳ của áp ngõ vào hình sin, trong khi đó chỉnh lưu bán kỳ chỉ cho dòng qua tải theo hướng định trước chỉ trong bán kỳ dương của điện áp ngõ vào chỉnh lưu. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp ngõ ra có tần số cao hơn lần tần số của áp ngõ vào. CHỈNH LƯU TOÀN KỲ HÌNH H8.41 v (t) V sin t V sin cấp vào mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp tức thời trên điện trở tải được xác định theo quan hệ sau, xem hình H8.41: Hay: Với áp xoay chiều in max v (t) V sin t V 0 t out max với chu kỳ T (8.4) Áp dụng quan hệ (8.0) giá trị trung bình áp trên ngõ ra chỉnh lưu toàn kỳ là: 1 V V V V sin t.d t cos t AVG V m AVG m 0 m 0 m V (8.5) Tương tự gọi V là áp hiệu dụng của áp ngõ vào ta viết lại quan hệ (8.5) như sau: RMS V AVG.V RMS 0,9.V RMS (8.6)

127 8 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG DIODE VÀ MÁY BIẾN ÁP CÓ ĐIỂM GIỮA: HÌNH H8.4 Gọi áp tức thời phía thứ cấp biến áp là: ab m Máy biến áp có điểm giữa là máy biến áp 1 pha cách ly, dây quấn sơ và thứ cấp độc lập nhau; dây quấn thứ cấp có 3 đầu ra dây : a,n và b. Số vòng dây quấn tứ a đến n bằng số vàng dây quấn từ n đến b. Điểm n là trung điểm của đoạn ab, các bộ dây an và nb có cùng chiều quấn. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode phối hợp với biến áp có điểm giữa trình bày trong hình H8.4. v t v t V.sin t V điện áp tức thời của các đoạn dây quấn an và nb được xác định như sau: v t V m van t vnb t sint (8.7) Suy ra: V m vbn t vnb t sint (8.8) NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG a b n van vbn t t vl + t - n a n b n a./ Trong suốt bán kỳ dương, D 1 phân cực thuận và D phân cực nghịch. a n b n b./ Trong suốt bán kỳ âm, D 1 phân cực nghịch và D phân cực thuận. HÌNH H8.43 Tại bán kỳ dương của áp cấp vào sơ cấp biến áp, với cực tính của các bộ dây sơ và thứ cấp theo hình H8.43, áp thứ cấp vab t cũng xãy ra bán kỳ dương. Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng như sau: v v v. Các điện b n a thế này lần lượt đặt lên các đầu A và K của các diode D 1 và D. Ta rút ra nhận xét sau: v v D daãn a n 1 v v D ngöng daãn n b Như vậy dòng điện từ a qua D 1 đến tải R L và theo n về thứ cấp.

128 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D 1 dẫn là bán kỳ dương của áp Tại bán kỳ âm của áp cấp vào sơ cấp biến áp, áp thứ cấp vab van t 83 t cũng xãy ra bán kỳ âm. Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng tại lúc này là: v v v. Ta b n a rút ra nhận xét sau: v v D ngöng daãn và v v D daãn. Như vậy dòng điện từ b qua a n 1 n b D đến tải R L và theo n về thứ cấp. vbn v an t và v t đảo pha nhau, nên lúc v bn an t diễn ra bán kỳ âm thì áp vbn Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D dẫn là bán kỳ dương của áp vì các áp diễn ra bán kỳ dương. t. Chú ý t đang Với quá trình hoạt động vừa trrình bày, ta có thể thấy mạch chỉnh lưu toàn ky dùng diode xem tương đương hai mạch chỉnh lưu bán kỳ vận hành lệch pha nhau 180 o theo thời gian. Mỗi nửa bộ dây thứ cấp chỉ hoạt động trong mỗi bán kỳ của áp cấp vào sơ cấp biến áp. Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu toàn kỳ vừa trình bày đã giả thiết các diode là lý tưởng. Trường hợp áp dụng mô hình thực nghiệm của diode; các diode chỉ bắt đầu dẫn khi các áp tại thứ cấp: v an t hay v t có giá trị lớn hơn điện thế rào cản 0,7V; phương pháp bn tính toán được thực hiện tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ. ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN DIODE LÚC NGƯNG DẪN: Trong hình H8.43 lúc diode D ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau: Trong đó v t v t v t (8.9) nb L R L D v t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải R L. Tương tự lúc diode D 1 ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau: v t v t v t (8.30) na L R D1 Từ các quan hệ (8.9) và (8.30) giá trị điện áp ngược đỉnh tác động lên mỗi diode lúc ngưng dẫn xác định theo quan hệ sau: V m PIV PIV. V D1 D m (8.31) Quan hệ (8.31) xác định theo mô hình diode lý tưởng. Trong trường hợp xét theo mô hình thực nghiệm của diode biên độ của áp v t và vna t một giá trị bằng điện thế rào cản 0,7V; tại lúc này ta có: V m PIV PIV. 0,7 V V 0,7 V D1 D m v L t nhỏ hơn biên độ của các áp nb (8.3) THÍ DỤ 8.5: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode và biến áp có điểm giữa phía thứ cấp, với điện áp xoay chiều cấp vào sơ cấp và tỉ số biến áp như trong hình H8.44. Xác định: a./ Áp và dòng trung bình trên tải, công suất DC tiêu thụ trên tải khi xem các diode là lý tưởng. b./ Áp ngược đỉnh tác động lên các diode lúc phân cực nghịch.

129 84 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 GIÀI Biên độ áp sơ cấp: V1m Áp hiệu dụng sơ cấp: V1m 100 V 50 V V HÌNH H8.44 Tỉ số biến áp : E V 1 1 K ba E V Áp hiệu dụng thứ cấp biến áp: V 50 1 V 5 35,36V K ba V. Khi xem diode lý tưởng, áp cực đại trên tải là: Áp trung bình trên tải: Dòng trung bình qua tải: V Lmax V I AVG AVG 5. 5V.V Lmax 5 15,915 V VAVG 15,916 V 1,59mA R 10k Công suất DC tiêu thụ trên tải: P V.I 15,915 V 1,59 ma 5,33 mw DC AVG AVG Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lúc phân cực nghịch: PIV V V 5 50 V m Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm, áp ngược đỉnh xác định theo quan hệ sau: PIV V 0,7V 49,3 V m CHỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG MẠCH CẦU DIODE (CẦU GRAETZ) : L a./ Trong bán kỳ dương, diode D 1 và D dẫn, diode D 3 và D 4 ngưng dẫn b./ Trong bán kỳ âm, diode D 1 và D ngưng dẫn, diode D 3 và D 4 dẫn HÌNH H8.45 a n c b a c n b Gọi áp tức thời ở sơ cấp biến áp là: v t 1 V.sin 1m tv và áp tức thời ở phía thứ cấp biến áp là: v t v t V.sin t V. ab m Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp, ta có điện thế tại các nút a và b là: V a V c V n V b suy ra diode D 1 và D phân cực thuận, hay các diode D 1 và D dẫn và các dioded 3 và D 4 ngưng dẫn. Dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D 1 đến c qua tải đến n qua diode D đến nút b quay về thứ cấp, xem hình H8.45. Ta có phương trình cân bằng lúc này là:

130 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 85 v t v v t v V v t V (8.33) ac L nb F D1 L F D Trong đó, v t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải, V và V là các điện áp đặt L F D1 F D ngang đầu mỗi diode lúc phân cực thuận. Với mô hình diode lý tưởng, quan hệ (8.33) viết lại là: L v t v t (8.34) Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp, áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp. Với mô hình thực nghiệm của diode quan hệ (8.33) viết lại là: v t v t 0,7V v t 1,4V (8.35) L Tại bán kỳ âm của áp thứ cấp, ta có điện thế tại các nút a và b là: V V V V suy ra a c n b diode D 1 và D phân cực nghịch và các diode D 3 và D 4 dẫn. Dòng điện từ nút b thứ cấp qua diode D 4 đến c qua tải đến n qua diode D 3 đến nút a quay về thứ cấp, xem hình H8.45. Tại lúc này dòng qua tải không đổi hướng khi so với trường hợp đã phân tích ở trên. v t v v t v V v t V (8.36) bc L na F D4 L F D3 Trong đó, v t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải, V L F D3 ngang đầu mỗi diode lúc phân cực thuận. Với mô hình diode lý tưởng, quan hệ (8.36) viết lại là: L và V là các điện áp đặt F D4 v t v t (8.37) Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp, áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp. Với mô hình thực nghiệm của diode quan hệ (8.36) viết lại là: v t v t 0,7V v t 1,4V (8.38) L Với các quan hệ (8.37) và (8.38) cho thấy khi tại bán kỳ âm điện áp trên tải vẫn có giá trị dương, nói khác hơn dạng áp trên tải luôn mang giá trị dương khi áp v t diễn ra bán kỳ dương lẫn bán kỳ âm. ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN MỖI DIODE LÚC DIODE NGƯNG DẪN: Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp, ta có điện thế tại các nút a và b là: V a V c V n V b. Lúc các dioded 3 và D 4 ngưng dẫn ta có phương trình cân bằng áp như sau: Và: an R D3 F D1 L v V V v t (8.39) CB R D4 F D L v V V v t (8.40) Với mô hình diode lý tưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ các quan hệ (8.39) và (8. 40) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là: V V v t v t V (8.41) R D3 R D4 L max max m

131 86 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Với mô hình thực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là: Thế (8.35) vào (8.4) suy ra: V V v t 0,7V (8.4) R D3 R D4 L max PIV V V v t 1,4 0,7 V 0,7V (8.43) R D3 R D4 max m Tương tự tại bán kỳ âm của áp thứ cấp, điện thế tại các nút a và b là: V a V c V n V b. Lúc các diode D 1 và D phân cực nghịch ta có các phương trình cân bằng áp như sau: Và: ca R D1 F D3 L v V V v t (8.44) bn R D F D4 L v V V v t (8.45) Với mô hình diode lý tưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ các quan hệ (8.44) và (8. 45) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là: V V v t v t V (8.46) R D3 R D4 L max max m Với mô hình thực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là: Thế (8.38) vào (8.47) suy ra: THÍ DỤ 8.6: HÌNH H8.46 GIẢI Biên độ áp thứ cấp: V V v t 0,7V (8.47) R D3 R D4 L max PIV V V v t 1,4 0,7 V 0,7V (8.48) V R D3 R D4 max m V 1 V 16,97V m Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng mạch cầu với mô hình diode lý tưởng; biết áp hiệu dụng thứ cấp biến áp là V 1V. Xác định : a./ Áp và dòng trung bình, công suất tiêu thụ trên tải. b./ Áp ngược tác động lên mỗi diode trong sơ đồ cầu khi áp dụng mô hình thực nghiệm diode Khi xem diode lý tưởng, áp trung bình trên tải: V 0,9 V 0,9 1 10,8 V AVG VAVG 10,8 V Dòng trung bình qua tải: I 1,08mA AVG R 10k Công suất DC tiêu thụ trên tải: P V.I 10,8 V 1,08 ma 11,66 mw DC AVG AVG V L L

132 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 87 Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lý tưởng lúc phân cực nghịch : PIV V 16,97 V m Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm, áp ngược đỉnh xác định theo quan hệ sau: PIV V 0,7V 16,97 0,7 16,7 V m Dạng tín hiệu áp tức thời tại thứ cấp biến áp và trên tải trình bày trong hình H8.47. V AVG Áp trên tải vl t Áp tức thời v t tại thứ cấp biến áp HÌNH H8.47: Áp tức thời trên tải và tại thứ cấp biến áp khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode MẠCH LỌC (FILTER): Với bộ nguồn DC lý tưởng, yêu cầu khử độ nhấp nhô trên áp ngõ ra từ các mạch chỉnh lưu bán kỳ hay toàn kỳ được quan tâm đến để đạt được áp DC trên ngõ ra của bộ nguồn có dạng hoàn toàn phẳng. Trong trường hợp này chúng ta cần dùng các mạch lọc, vì các mạch điện tử cần được cung cấp áp và dòng DC phẳng ổn định để cung cấp công suất và phân cực cho các linh kiện điện tử khác hoạt động theo yêu cầu riêng. Mạch lọc đơn giản chỉ bao gồm tụ điện. Trong trường hợp muốn ổn định một cách tuyệt đối áp DC trên ngõ ra, cần sử dụng thêm mạch tích hợp (IC) ổn định điện áp. Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn đã trình bày trong hình H NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỌC: Trong hình H8.48 trình bày mạch chỉnh lưu bán kỳ phối hợp với bộ lọc tụ điện trước khi cấp đến tải. Trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều v t V.sin t in m chỉnh lưu, diode phân cực thuận cho phép tụ lọc nạp điện trong phạm vi cấp vào mạch in 0,7V v t V. in max

133 88 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 a./ Khi diode phân cực thuận, tụ bắt đầu nạp điện tích và tăng dần điện áp b./ Khi áp vào đạt đến giá trị cực đại, diode bị phân cực nghịch ngưng dẫn. Tụ phóng điện qua điện trở tải R L c./ Khi giá trị tức thời áp vào cao hơn áp V C, diode phân cực thuận trở lại. Tụ nạp điện trở lại HÌNH H8.48 Gọi áp đặt ngang qua hai đầu tụ C là t ; khi áp vào đạt vc đến giá trị đỉnh in v t V áp trên tụ là v t V 0,7V (khi C m áp dụng mô hình thực nghiệm của diode). Cần chú ý trong khoảng thời gian này, áp tức thời trên tải và áp tức thời trên tụ hoàn toàn giống nhau. Sau khi đạt đến mức đỉnh áp vào bắt đầu giảm thấp giá trị (ở nửa giai đoạn còn lại trong bán kỳ dương). Bây giờ áp trên tụ C cao hơn áp vào, diode bị phân cực ngược; tụ ngừng nạp điện. Vì tụ đấu song song với điện trở tải, điện tích đang tích trên các cực dương của tụ sẽ đi qua tải để đến cực âm của tụ để trung hòa các điện tích ở cực âm; quá trình này được gọi là quá trình phóng điện của tụ. Thời gian phóng điện nhanh hay chậm phụ thuộc vào giá trị điện dung C và trị số điện trở tải R L. Tại bán kỳ âm của áp vào, nếu tụ chưa xả hết điện tích trên các bản cực, áp trên tụ lớn hơn áp vào nên diode vẫn tiếp tục phân cực nghịch. Tụ tiếp tục duy trì quá trình phóng điện. Khi áp vào bắt đầu bán kỳ dương kế tiếp diode tiếp tục phân cực nghịch ; khi áp vào tức thời lớn hơn áp tức thời trên tụ C 0,7V tụ chấm dứt quá trình phóng điện và diode bắt đầu phân cực thuận. Quá trình nạp điện tích cho tụ tiếp diển ÁP TỨC THỜI TRÊN TẢI KHI CHỈNH LƯU TOÀN KỲ CÓ MẠCH LỌC TỤ : m HÌNH H8.49 Với mạch chỉnh lưu toàn kỳ có mạch lọc tụ điện, nguyên lý hoạt động được giải thích tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ. Cho mạch chỉnh lưu dùng cầu diode theo hình H8.49. Tại bán kỳ dương của áp vào v1 t giả sử tụ chưa nạp điện tích ban đầu, các diode D1 và D dẫn cấp dòng nạp điện tích cho tụ và đồng thời cấp dòng qua tải R1. Trong khoảng thời gian này áp trên hai đầu tải cũng là áp trên hai đầu tụ C1 ; điện áp này có dạng giống như điện áp v1 t (khi xem các diode D1 và D3 là lý tưởng). Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm của diode, áp trên tải và tụ có dạng giống như áp v1 t 1,4V. Xem hình H8.50, đoạn từ gốc tọa độ đến a.

134 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 89 a b c vc t Tụ nạp điện Tụ phóng điện v1 t HÌNH H8.50 Tại vị trí a, áp vào v1 t đạt cực đại và đang trên đà giảm biên độ, lúc đó áp ngang qua hai đầu tụ và tải đạt đến giá trị V 1,4V 1m. Trong đó v t. Bây giờ các diode D1 1m 1 và D phân cực ngịch. Tụ C1 bắt đầu phóng điện sang tải trở R1, điện áp trên hai đầu tải bây giờ được xác định theo quan hệ (8.51) sau đây. Tại lúc tụ bắt đầu phóng điện, xét mắt lươi chứa tụ và điện trở tải ta có quan hệ: Suy ra: Với dòng phóng điện C 1 p V là biên độ áp v t R.i t (8.49) ip t xác định theo quan hệ như sau: t dvc ip t C (8.50) 1 dt t dvc vc t RC. (8.51) 1 1 dt Giải phương trình vi phân bậc nhất ta có nghiệm như sau: vc 1 t RC 1 K.e (8.5) Tại lúc tụ bắt đầu phóng điện, đặt thời điểm ban đầu ứng với t = 0 áp đang có trên tụ là V 1,4V 1m, ta suy ra hằng số K có giá trị như sau: K V 1,4V (8.53) 1m

135 90 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Từ (8.5) và (8.53), suy ra áp tức thời trong khoảng thời gian tụ phóng điện, giai đoạn từ a đến b là: C 1 t RC 1 (8.54) v t (V 1,4).e 1m Tại b, điện áp v t ở bán kỳ âm nhưng vì diode D3 và D4 ở trạng thái phân cực thuận 1 và bắt đầu dẫn cấp áp đến tải và tụ C 1. Tụ lọc bắt đầu nạp điện tích trở lại dạng điện áp trên tải có dạng của điện áp nguồn v1 t 1,4V. Giai đoạn này xãy ra trong khoảng từ b đến c. Tại c các diode D và D3 bị phân cực nghịch và tụ C phóng điện qua tụ như quá trình đã diển ra trong khoảng thời gian từ a đến b. Quá trình tiếp tục diển tiến có tính chất tuần hoàn qua các giai đoạn như vừa trình bày HỆ SỐ NHẤP NHÔ ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI : Độ nhấp nhô (Ripple) Độ nhấp nhô (Ripple) HÌNH H8.51: Độ nhấp nhô trên áp tải Qua các nội dung phân tích trên, tín hiệu trên tải của mạch chỉnh lưu có dạng phẳng hơn khi dùng thêm mạch lọc. Tùy thuộc vào giá trị điện dung của tụ lọc phạm vi chênh lệch giữa giá trị áp cao nhất và á thấp nhất trên tải sẽ thay đổi. Khoảng chênh lệch giữa mức thấp nhất và cao nhất trên áp tải gọi là độ nhấp nhô (Ripple). Gọi : r là hệ số nhấp nhô. V là phạm vi chênh lệch giữa mức rpp cao nhất và thấp nhất của áp trên tải. V là áp định hay giá trị cao nhất của áp P trên tải. V là áp trung bình hay áp DC trên tải AVG V P V AVG V rpp HÌNH H8.5: Định nghĩa hệ số nhấp nhô trên áp tải. Theo toán học với áp trên tải là Fourier. Lúc đó vl v L t có tính tuần hoàn. Ta có thể khai triển áp v L t theo t được xem như tổng hợp từ nhiều áp hình sin thành phần khác tần số và biên độ. Tần số của tín hiệu sin thành phần bằng tần số với áp v t gọi là tần số cơ bản và các L tín hiệu sin thành phần khác có tần số cao hơn được gọi là sóng bậc cao. Theo phương pháp này hệ số nhấp nhô được gọi xác định theo quan hệ sau r Giaù trò hieäu duïng cuûa caùc thaønh phaàn xoay chieàu (8.55) V AVG

136 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 91 Mạch lọc có chất lượng càng cao, áp trên ngõ ra ra càng phẳng. Giá trị của hệ số nhấp nhô phụ thuộc vào giá trị điện trở tải R L và điện dung C của tụ lọc. Tương ứng với mỗi giá trị điện trở tải và độ nhấp nhô định trước, ta có một giá trị điện dung C tương ứng. Nói khác đi, với trị số điện dung của tụ lọc chọn trước, khi tải thay đổi giá trị hệ số nhấp nhô thay đổi theo giá trị điện trở tải. Có nhiều tài liệu trình bày các phương pháp xác định điện dung tụ lọc theo hệ số nhấp nhô chọn trước, ta khảo sát một phương pháp đơn giản như sau. PHƯƠNG PHÁP TÍNH : Khi áp dụng phương pháp này, chúng ta giả sử: Diode chỉnh lưu là lý tưởng, bỏ qua ảnh hưởng điện thế rào cản khi diode dẫn thuận. Dạng áp trên tải đồng dạng với áp ngõ vào chỉnh lưu ở bán kỳ dương. v t V.sin t V. Áp tức thời ngõ vào chỉnh lưu toàn kỳ là: in in max Dạng áp trên tụ và tải khi dùng mạch lọc tụ có dạng răng cưa tam giác thay vì có dạng tổ hợp hàm sin và hàm mủ đối với thời gian thỏa các giả thiết trên trình bày trong hình H8.53. L v t v t V.e L C inmax t R.C V rpp V P V inmax V Lmin HÌNH H8.53: Xác định biểu thức tính hệ số nhấp nhô. Trong đó, U V : khoảng chênh lệch áp trên tải giữa mức cao nhất đến thấp nhất. DC rpp Quá trình tính toán được trình bày như sau: Điện tích Q nạp trên tụ trong các quá trình diode chỉnh lưu dẫn. Q V.C (8.56) nap rpp Lượng điện tích Q phóng được xả trong quá trình các diode ngưng dẫn. Q I.t (8.57) phong ph dis Áp dụng định luật bảo toàn điện tích, điện lượng nạp và phóng bằng nhau; suy ra: V.C I.t (8.58) rpp ph dis Gọi V V là giá trị đỉnh của áp chỉnh lưu cũng chính là mức áp tối đa đạt được trong P inmax quá trình nạp điện tích, gọi t dis là khoảng thời gian tụ xả điện tích qua tải, giá trị áp trên tụ đạt được ở cuối quá trình xả điện tích là V Lmin. Khi hệ số nhấp nhô r có giá trị càng thấp, áp nhấp nhô V rpp tiến tới 0, thời gian t dis tiến tới giá trị T (khoảng thời gian của chu trình nạp và phóng điện của tụ),

137 9 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 V tiến tới giá trị V Lmin in max hơn 10% và T nạp << T phóng ta có t dis rpp. Khi điện áp trên tải được lọc phẳng, với hệ số nhấp nhô trên tải thấp ph T. Quan hệ (8.58) được viết lại như sau: V.C I.T (8.59) Khi tín hiệu lọc phẳng, dòng I ph là dòng phóng điện của tụ qua tải cũng chính là dòng trung bình qua tải, do đó: VAVG I (8.60) ph R L Từ các quan hệ (8.59) và (8.60) ta suy ra: Vrpp T (8.61) V R.C AVG L Muốn xác định một cách đơn giản giá trị hiệu dụng của các thành phần xoay chiều chứa trong khai triển Fourier của áp v t có dạng áp răng cưa. Dời v L t chúng ta xem gần đúng L trục tọa độ sao cho trục hoành trùng với mức áp trung bình V. Giá trị hiệu dụng của thành phần AVG vl xoay chiều H8.54, áp LAC t là giá trị hiệu dụng của áp hiện có sau khi thực hiện phép dời trục. Trong hình v t là dạng áp vl t sau khi dời trục. V rpp V rpp vlac t t V rpp T1 T HÌNH H8.54: Áp Áp tức thời vlac vl t sau khi dời đến hệ trục mới với trục hoành trùng với mức áp V. AVG t trong hình H8.54 được xác định như sau: Gọi LAC V rpp T 1 vlac t. t (0 t T) 1 T 1 V V rpp rpp v t t T (T t T) LAC 1 1 T T 1 V là áp hiệu dụng của vlac t ta có: (8.6) 1 T 1 V T rpp T T t T V v t.dt t.dt V.dt T 0 T T 0 T1 T T LAC LAC rpp

138 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 93 Hay: Trong đó: Và: Suy ra: Tóm lại: 1 VLAC J J 1 (8.63) T rpp T T V J t.dt 1 T T (8.64) 0 1 J T Vrpp T 1 t T 1.dt T (8.65) 1 T T 1 Thực hiện các phép tính và thu gọn ta có kết quả sau: 1 V. LAC Vrpp Vrpp V V T T T T rpp V rpp (8.66) LAC 3 V V LAC 1 V V AVG 3 rpp AVG (8.67) Hệ số nhấp nhô được xác định theo quan hệ sau khi thế (8.61) vào (8.67): r V 1 T V R.C AVG 3 L LAC (8.68) Gọi f là tần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu, đối với chỉnh lưu toàn kỳ thời gian T trong quan hệ (8.68) chỉ bằng nửa chu kỳ của nguồn áp sin cấp vào mạch chỉnh lưu. Trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ thời gian T trong quan hệ (8.68) bằng chu kỳ của nguồn áp sin cấp vào mạch chỉnh lưu. Từ đó ta suy ra các quan hệ sau: Chỉnh lưu toàn kỳ r 1 (8.69) 4 3.f.R.C L VLAC 1 Chỉnh lưu bán kỳ r (8.70) V 3.f.R.C AVG Áp DC trên tải được xác định theo quan hệ sau: V V rpp V (8.71) AVG in max Thay thế (8.61) vào (8.71) ta có quan hệ sau: L V AVG 1 T.V AVG V in max R.C L (8.7)

139 94 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Suy ra: Hay: Tóm lại: T V. 1 V AVG.R.C L AVG V. 1 r 3 V V AVG V in max 1 r 3 in max in max (8.73) (8.74) V1 110 V / 50Hz HÌNH H8.54 V THÍ DỤ 8.7: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ như trong hình H8.54, tải R 0. Muốn áp trên tải đạt hệ số nhấp nhô yêu cầu r 3,5% tính điện dung C của tụ lọc. yc Suy ra các thông số dòng áp DC trên tải L GIẢI Đầu tiên xác định các số liệu cho trong thí dụ: Áp hiệu dụng phía sơ cấp biến áp : V 110 V. 1 Khi bỏ qua độ thay đổi áp thứ cấp khi mang tải, áp hiệu dụng phía thứ cấp là: V1 110 V 11V K 10 ba Chỉnh lưu dùng cầu diode, chỉnh lưu toàn kỳ. Tần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu là: 50Hz. Hệ số nhấp nhô yêu cầu là r yc 3,5%. 1 1 Áp dụng quan hệ (8.69), ta có: r r hay C yc 4 3.f.R.C 4 3.f.R.r L L yc Suy ra: 1 C F hay C 413,93 F ,035 Chọn giá trị điện dung C phù hợp giá trị thực tế. Ta chọn C 4700 F. Tính lại hệ số nhấp nhô với giá trị điện dung của tụ lọc vừa chọn. r 1 0, Điện áp DC trên tải: V V 11. V 14,77V AVG in max max 1 r 3 1 r 3 1 0,0307 3

140 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG DIODE ZENER: TỔNG QUAN: Áp dụng chính của diode Zener dùng ổn định điện áp để tạo thành nguồn áp tham chiếu ổn định dùng trong bộ nguồn, volt kế hay các thiết bị đo lường. Diode Zener có khả năng duy trì được điện áp DC gần như không đổi trong các điều kiện hoạt động riêng. Tuy nhiên việc áp dụng diode zener có giới hạn và cần thỏa các điều kiện riêng. Ký hiệu của diode Zener trình bày trong hình H8.55. HÌNH H8.55 Diode Zener là linh kiện bán dẫn loại Silicon có mối nối pn được thiết kế để hoạt động vùng phân cực nghịch. Điện thế phá vở phân cực nghịch của diode Zener được chỉnh một cách cẩn thận bằng cách kiểm soát mức độ của các hạt tải trong quá trình sản xuất. Như đã biết, trên đặc tuyến phân cực nghịch của diode khi gần đạt đến mức phá vở phân cực nghịch, điện áp trên diode được duy trì hầu như không đổi ngay khi dòng điện phân cực nghịch thay đổi một cách đột ngột. Trong hình H8.56 trình bày các vùng hoạt động bình thường (được tô màu xám) của các loại diode chỉnh lưu và diode Zener. Diode Zener khi được phân cực thuận hoạt động như diode chỉnh lưu thông thường. Vùng phân cực thuận Vùng phân cực nghịch Vùng phân cực nghịch a./ Các vùng hoạt động bình thường của diode chỉnh lưu b./ Vùng hoạt động bình thường của diode Zener HÌNH H8.56: Đặc tuyến Volt Ampere tổng quát của diode thường và diode Zener. PHÁ VỞ PHÂN CỰC NGHỊCH ZENER: Có hai loại phá vở phân cực nghịch trong diode Zener là: hiện tượng thác và zener. Quá trình thác (avalanche breakdown) đã được trình bày trong mục xãy ra trong các loại diode chỉnh lưu cũng như diode zener khi cấp áp ngoài phân cực nghịch có giá trị đủ lớn. Hiện tương phá hủy phân cực nghịch Zener xãy ra trong diode Zener lúc phân cực nghịch với điện áp phân cực nghịch có giá trị thấp. Diode Zener được chế tạo với mức áp phá vở trạng thái phân cực nghịch có giá trị thấp, vùng nghèo trong diode zener rất hẹp chỉ là một lớp mỏng. Giá trị điện áp phá vở phân cực nghịch ở mức thấp gọi là điện áp Zener, ký hiệu là V. Z Tóm lại với các diode Zener có mức áp phá vở phân cực nghịch từ 5V trở xuống, điện áp này được gọi là V áp Zener; với các diode Zener có điện áp phá vở phân cực nghịch cao hơn 5V (có Z thể lên đến 00V) được gọi là áp phá vở pphân cực nghịch V. BR Sai số của các áp: V và V từ 1% đến %. Z BR

141 96 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE PHÂN CỰC NGHỊCH CỦA DIODE ZENER: Dòng Zener tại điểm khuỷu Dòng Zener thử nghiệm Dòng Zener cực đại HÌNH H8.57: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực nghịch Của diode Zener. TÍNH ĐIỀU HÒA ÁP CỦA DIODE ZENER: Trong hình H8.57 trình bày vùng phân cực nghịch trên đặc tuyến volt ampere của diode Zener. Khi áp phân cực nghịch V gia tăng, dòng phân cực R nghịch I R duy trì giá trị rất thấp cho đến điểm khuỷu trên đặc tuyến. Dòng điện phân cực ngược còn được gọi là dòng Zener I Z. Tại ngay điểm bắt đầu xảy ra quá trình phá vở phân cực ngược, điện trở nội hay tổng trở Zener Z Z bắt đầu giảm nhanh và dòng phân cực ngược tăng giá trị nhanh chóng. Tại vị trí bên dưới điểm khuỷu áp Zener V Z duy trì gần như không đổi (hơi tăng rất ít) khi dòng I Z gia tăng. Khi diode Zener hoạt động trong vùng phân cực ngược, có khả năng duy trì áp ngược đặt ngang qua hai đầu diode có giá trị hầu như không đổi khi dòng phân cực nghịch thay đổi trong phạm vi rộng, ta nói diode Zener có tính điều hòa hay ổn định điện áp. Gía trị nhỏ nhất của dòng điện phân cực ngược là I ZK phải được duy trì để diode Zener hoạt động như bộ ổn áp. Khi dòng qua diode Zener có giá trị thấp hơn mức I ZK tính ổn áp của Zener sẽ biến mất. Gía trị lớn nhất của dòng điện phân cực ngược là I ZM cũng cần được duy trì, khi dòng qua diode Zener có giá trị cao hơn mức I ZM diode bị hỏng do công suất tiêu tán nhiệt trên diode quá lớn. Một cách cơ bản, diode Zener có khả năng duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu diode hầu như không đổi khi dòng điện ngược thay đổi trong phạm vi từ I ZK đến I ZM. Trong các tài liệu trình bày đặc tính kỹ thuật của diode Zener cho bởi các nhà sản xuất, áp định mức của diode Zener V được cho theo dòng điện phân cực nghịch thử nghiệm I ZT ZT. Giá trị của dòng I ZT thường là trung điểm của phạm vi dòng điện từ I ZK đến I ZM MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DIODE ZENER: a./ Lý tưởng HÌNH H8.58: b./ Thực nghiệm Trong hình H8.58a trình bày mẫu diode lý tưởng của diode Zener trong trạng thái phân cực nghịch. Giá trị của nguồn áp không đổi V bằng giá trị định mức của Z diode Zener. Nên nhớ, nguồn áp này chỉ có giá trị biểu diễn trạng thái hoạt động của diode và bản thân của diode không tạo ra sức điện động. Trong hình H8.5b trình bày mẫu thực nghiệm của diode Zener trong trạng thái phân cực nghịch bao gồm tổng trở nội V của diode zener. Đặc tuyến Volt Z ampere thực tế không hoàn toàn thẳng đứng trong đoạn làm việc.

142 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 97 Trong hình H8.59, với sự thay đổi dòng điện Zener I Z trong phạm vi I tạo ra một Z khoảng thay đổi áp zener V. Theo định Z luật Ohm ta có tổng trở nội của diode Zener định nghĩa như sau: Z V Z (8.75) Z IZ Thông thường giá trị Z được xác Z định tại điểm có giá trị dòng zener bằng dòng thử nghiệm I ZT và gọi là Z : tổng trở ZT nội thử nghiệm. Trong hầu hết các trường hợp giá trị Z là hằng số trong dảy giá trị ZT làm việc của dòng điện zener và có thể xem Z là điện trở thuần. ZT HÌNH H8.59 THÍ DỤ 8.8: Cho diode Zener 1N4736 có Z 3,5. Các số liệu cho trong tài liệu kỹ thuật là: ZT V 6,8V; I ZT ZT 37mA và dòng I ZK 1mA. Xác định điện áp ngang qua hai đầu diode Zener khi có dòng qua diode lần lượt là: 5 ma và 50 ma GIẢI VZ V 6,8V ZT IZK 1mA Thông số kỹ thuật của diode cho trong tài liệu kỹ thuật gồm: V 6,8V I 37mA Z 3,5. ZT ; ZT ; ZT IZT 37mA Khi dòng qua diode I Z 50mA giá trị này tăng cao hơn dòng I 37mA một khoảng là: ZT I I I mA Z Z ZT IZ 50mA I Z V V V Z ZT Z V V V 6,8 0,0455 6,85 V Z ZT Z Điện áp đặt ngang qua hai đầu tổng trở nội của diode là V. V Z. I 3,5 13mA 45,5mV Z ZT Z Điện áp đặt ngang qua hai đầu Diode Zener tại dòngi Z 50mA là: Z Tương tự khi dòng qua diode zener là I Z Z ZT Z Z ZT 5mA, áp ngang qua hai đầudiode Zener là: V V Z. I I 6,8 3,5 0,05 0,037 6,76 V

143 98 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN DIODE ZENER: HỆ SỐ NHIỆT (TEMPERATURE COEFFICIENT): Hệ số nhiệt của diode Zener được định nghĩa là phần trăm thay đổi điện áp zener khi nhiệt độ môi trường thay đổi 1 o C. Hệ số nhiệt được ký hiệu là TC. Gọi V Z là độ thay đổi áp zener khi khoảng nhiệt độ môi trường thay đổi là T và V Z là áp zener định mức (thường được xác định tại nhiệt độ 5 o C). Ta có quan hệ sau: V Z V Z TC T (8.76) Đơn vị của các đại lượng trong quan hệ (8.75) là: V Z V Z V ; % TC o và C o T C. Hệ số nhiệt TC có thể có giá trị dương hoặc âm. Với hệ số nhiệt dương, khi nhiệt độ gia tăng áp zener tăng; ngược lại với hệ số nhiệt âm khi nhiệt độ gia tăng áp zener giảm. Trong một số các tài liệu kỹ thuật, đơn vị của hệ số nhiệt được tính theo trường hợp này quan hệ (8.75) được viết lại như sau: THÍ DỤ 8.9: Cho diode Zener có áp zener là của diode Zener là GIẢI V TC T Z (8.77) TC 0,05 % mv o, trong C V 8,V tại nhiệt độ môi trường là 5 o C, biết hệ số nhiệt Z. Xác định áp zener tại 60 o C. o C 0,05 Áp dụng quan hệ (8.76) ta có: Áp zener tại 60 o C là: V 8, ,1435 V Z 100 V V V 8, 0,1435 8,34 V Z o Z o Z 60 C 5 C CÔNG SUẤT TIÊU TÁN (POWER DISSIPATION): Công suất tiêu tán cực đại là công suất tiêu thụ tối đa cho phép khi diode zener hoạt động. Gọi P là công suất tiêu tán tối đa cho phép và P Dmax D là công suất tiêu tán trên diode zener tại điểm làm việc bất kỳ. Ta có quan hệ sau: P V I D Z Z (8.78) Giá trị P của mỗi diode zener được xác định bởi nhà sản xuất tại nhiệt độ chuẩn Dmax định trước (giả sử tại 50 o C). Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, giá trị P cho phép giảm Dmax xuống khi nhiệt độ gia tăng. Gọi K là hệ số giảm công suất tiêu tán (Derating Power DP mv Coefficient) cực đại; đơn vị của hệ số này là K DP o. Ta có quan hệ sau: C P D P T D K DP T (8.79)

144 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 99 THÍ DỤ 8.10: Cho diode Zener có P Dmax 400 mw tại 50 o C, biết hệ số suất tiêu tán cực đại cho phép tại nhiệt độ 90 o C. K 3, DP mv o. Tìm công C GIẢI Áp dụng quan hệ (8.79) ta có: P P K T 400 3, mw D o D o DP 90 C 50 C CÁC ÁP DỤNG CỦA DIODE ZENER: DÙNG DIODE ZENER ĐIỀU HÒA ÁP NGÕ RA KHI ÁP NGÕ VÀO THAY ĐỔI: BỘ NGUỒN DC Dòng I tăng Z a./ Khi áp vào tăng, áp ra không đổi ( I ZK < I Z < I ZM ) BỘ NGUỒN DC Dòng I giảm Z Trong hình H8.60 trình bày phương pháp áp dụng diode zener để điều hòa điện áp khi áp DC ngõ vào thay đổi. Khi điện áp ngõ vào thay đổi trong phạm vi định trước, diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu của nó gần như không đổi. Khi áp vào V thay đổi, dòng I IN Z thay đổi tỉ lệ với điện áp ngõ vào trong phạm vi xác định trước. Tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp vào nêu trên, dòng qua diode zener thay đổi trong phạm vi từ: I ZK (dòng cực tiểu qua diode zener) đến I ZM (dòng cực đại qua diode zener). Điện trở R nối trên ngõ vào, được gọi là điện trở giới hạn. Để mô tả rõ ràng hơn tính điều hòa điện áp của diode zener chúng ta khảo sát thí dụ 8.11 sau đây : HÌNH H8.60 HÌNH H8.61 b./ Khi áp vào giảm, áp ra không đổi ( I ZK < I Z < I ZM ) THÍ DỤ 8.10: Cho diode zener có mã số 1N4740, xem hình H8.61 có thể điều hòa áp khi dòng qua zener thay đổi trong phạm vi từ : I ZK 0,5 ma đến I ZM 100 ma. Từ tài liệu của nhà sản xuất ta có các thông số khác là : P 1W và V 10V Dmax Z GIẢI Đầu tiên cẩn chú ý số liệu sau: PDmax 1W I 0,1A 100 ma ZM V 10 V Z Tương ứng với dòng nhỏ nhất qua diode zener, điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở giới hạn R 00 là : V R.I 0 0,5 ma 55 mv Rmin ZK Giá trị thấp nhất của áp ngõ vào là : V V V 10 V 55mV 10,055 V inmin R min Z

145 300 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 Tương ứng với dòng lớn nhất qua diode zener, điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở giới hạn R 00 là : V R.I ma V R max ZK Giá trị cao nhất của áp ngõ vào là : V V V V 510V 3V inmax Rmax Z Trong quá trình tính toán này chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của tổng trở nội zener, thực chất điện áp ngõ ra hơi thay đổi khác giá trị 10 V khi áp vào thay đổi trong phạm vi từ 10,055 V đến 3 V. HÌNH H8.6 GIẢI THÍ DỤ 8.11: Cho mạch điều hòa điện áp dùng diode zener có mã số 1N4733, xem hình H8.6. Từ tài liệu kỹ thuật ta có các thông số: V 5,1V; I 49 ma; I 1mA; Z ZT ZK PDmax 1W và Z 7. Xác định giá trị Z min và max của áp ngõ vào V in để diode zener điều hòa điện áp trên ngõ ra. HÌNH H8.63 OUT min Z Z ZK ZT Giả sử giá trị tổng trở nội của diode zener có giá trị không đổi trong phạm vi dòng điện qua zener được khảo sát, mạch điện tương đương của didode zener được vẽ lại trong hình H8.63. Tại lúc dòng điện qua diode zener có giá trị nhỏ nhất I ZK 1mA, điện áp ra V OUT đo trên hai đầu diode zener được xác định theo quan hệ sau: V V Z I I 5,1 7 0,001 0,049 4,764 V Dòng tối đa cho phép qua diode zener: PDmax 1 I 0,196 A ZM V 5,1 Z Áp V đo trên hai đầu diode zener lúc dòng I OUT ZM qua mạch: Áp Áp OUT max Z Z ZM ZT V V Z I I 5,1 7 0,196 0,049 6,19 V V trên ngõ vào lúc dòng qua mạch là I IN ZK : V R.I V 100 0,001 4,764 4,964 V INmin ZK OUT min V trên ngõ vào lúc dòng qua mạch là I IN ZM : V R.I V 100 0,196 6,19 5,79 V INmax ZM OUT max Tóm lại điện áp ngõ vào cho phép thay đổi trong phạm vi: 4,96 V đến 5,73V để điều hòa áp ngọ ra trong phạm vi : 4,76 V đến 6,13 V.

146 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG DÙNG DIODE ZENER ĐIỀU HÒA ÁP NGÕ RA KHI TẢI THAY ĐỔI: HÌNH H8.64 Trong hình H8.64 trình bày mạch điều hòa điện áp dùng diode zener khi điện trở tải R L thay đổi giá trị. Diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở tải R co giá trị gần L như không đổi khi dòng qua diode zener có giá trị trong phạm vi I ZK I Z I ZM. Khi điện trở tải R, tải hở mạch, dòng qua tải bằng 0, tất cả dòng điện đều qua diode L zsener; ta nói mạch điều hòa điện áp đang hoạt động tại trạng thái không tải. Khi điện trở R được đấu song song với diode zener, trên các nhánh của zener và R có L L các dòng điện đi qua. Dòng điện tổng qua điện trở giới hạnr cần có giá trị không đổi để diện áp trên hai đầu diode zener được ổn định. Khi giá trị R giảm, dòng qua tải I L L tăng và dòng qua I Z giảm, diode zener tiếp tục điều hòa áp cho đến khi dòng I Z đạt đến giá trị thấp nhất là I ZK. Tại lúc này dòng qua tải đạt giá trị lớn nhất và xác định điều kiện đầy tải. Sự kiện này được mô tả cụ thể bằng số trong thí dụ 8.1. THÍ DỤ 8.1: HÌNH H8.65 Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của dòng qua tải khi diode zener trong hình H8.65 điều hòa điện áp. Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của điện trở tải R được sử dụng. Cho L VZ 1V; IZK 1mA; IZM 50 ma. Giả sử tổng trở nội của diode zener Z Z 0 và V Z duy trì không đổi giá trị 1 V trong khoảng giá trị dòng qua zener nêu trên. GIẢI Khi dòng qua tải IL 0A ; dòng qua diode zener đạt giá trị tối đa là I Z(max) : V V in Z 4 1 I 0,0553 A 5,53mA Z(max) R 470 Vì giá trị tối đa của dòng qua diode zener là I Z(max) I ZM, nên giá trị cực đại của điện trở tải và dòng I L 0Alà giá trị cực tiểu cho phép qua tải. RL là giá trị Giá trị tối đa của dòng qua tải xãy ra khi dòng qua diode zener đạt giá trị thấp nhất là I 1mA; ta có: ZK I I I I I 5,53 1 4,53 ma L(max) T ZK Z(max) ZK Dòng I T là dòng tổng qua điện trở giới hạn R 470, giá trị này bằng giá trị dòng cữc đại qua diode zener lúc không tải. VZ 1 V Giá trị cực tiểu của điện trở tải: RL(max) 0,48919 k 489, I 4,53mA L(min)

147 30 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 THÍ DỤ 8.13: Cho mạch điện hình H8.66, trong đó diode zener 1N4744 có các thông số kỹ thuật như sau: V 15 V tại Z dòng I 17 ma; I 0,5mA; Z 14; ZT ZK Z P 1W. Xác định: D(max) HÌNH H8.66 a./ Áp V tại dòng I OUT ZK và I ZM. b./ Giá trị điện trở giới hạn R. c./ Giá trị cực tiểu của điện trở tải R. L GIẢI a./ Áp Áp V với dòng điện cực tiểu qua diode, ta có: OUT V V V Z I ,0005 0,017 14,7655 V OUT Z ZK Z Z Dòng cực đại cho phép qua diode zener: PD(max) 1 I 0,06667 A 66,67 ma ZM V 15 ZT V với dòng điện cực đại qua diode : OUT V V V Z I , ,017 15,695 V OUT Z ZK Z Z b./ Tính toán giá trị điện trở giới hạn theo dòng điện cực đại qua diode zener lúc không tải. Ta có: V V IN OUT max 4 15,695 R 14,57 I 0,06667 ZM Khi điện trở giới hạn R là điện trở than; chọn điện trở có giá trị tiêu chuẩn gần giá trị tính toán là: 130. c./ Giá trị cực tiểu của điện trở tải R. L Dòng qua điện trở giới hạn R khi dòng qua diode zener có giá trị cực tiểu: I T V V IN OUT(min) 4 14,76 0,071 ma R 130 Dòng qua điện trở tải R khi dòng qua diode zener có giá trị cực tiểu: L I I I 0,071 0,0005 0,07075 A 70,75 ma L T ZK Giá trị điện trở tải tối thiểu cho phép để áp ngõ ra được ổn định: VOUT min 14,76 R 08,6 09 Lmin I 0,07075 L

148 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MẠCH GIỚI HẠN DÙNG DIODE ZENER MẠCH XÉN: Diode zener có thể dùng trong các mạch xoay chiều để giới hạn điện áp tại các mức giời hạn cho trước. Chúng ta có ba phương pháp giới hạn áp dùng diode zener. HÌNH H8.67 HÌNH H8.68 HÌNH H8.69 trị như trong hình vẽ. Trong hình H8.67, trình bày mạch giới hạn áp xoay chiều. Tương ứng bán kỳ dương của áp V diode zener giới hạn bán IN kỳ dương bằng với mức áp V Z của diode zener. Trong suốt bán kỳ âm, zener tác động như diode phân cựcv thuận và giới hạn mức áp âm trong phạm vi 0,7V. Khi đấu đảo cực của zener, ta có mạch giới hạn áp theo hình H8.68, mạch giới hạn đỉnh áp xoay chiều trong bán kỳ âm theo tác động của zener và trong bán kỳ dương của áp V IN điện áp trên diode zener được giới hạn tạo mức + 0,7V. Trường hợp thứ ba của mạch giới hạn điện áp dùng hai diode zener đấu nối tiếp ngược cực tính như trong hình H8.69. Tại bán kỳ dương, diode zener D1 tác động như diode thông thường ơ trạng thái phân cực thuận và diode zener D tác động như bộ giới hạn. Khi áp ngõ vảo ở bán kỳ âm tác động của các diode ngược lại. Giả sư các diode zener D1 và D có củng mức áp V, các mức điện áp giới hạn có giá Z THÍ DỤ 8.14: Cho mạch giới hạn điện áp xoay chiều như trong hình H8.70, xác định dạng áp trên ngõ ra. GIẢI HÌNH H8.70 HÌNH H8.71 Tương ứng với bán kỳ dương của áp xoay chiều trên ngõ vào V, diode zener phía trên phân cực IN thuận và diode zener bên dưới phân cực nghịch. Điện áp trên ngõ ra xác định như sau: V 0,7 5,1 5,8 V OUT Tại bán kỳ âm diode phía trên tác động như bộ giới hạn và diode zener bên dưới phân cực thuận, ta có áp ngõ ra xác định theo quan hệ: V 0,73,3 4 V OUT Áp ngõ ra trình bày trong hình H8.71.

149 304 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 BÀI TẬP CHƯƠNG 8 BÀI TẬP 8.1 Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ với mạch lọc dùng tụ cung cấp điện áp DC 6 V cho tải điện trở 3,3 kω. Giả thiết diode là lý tưởng, xác định : a./ Giá trị cực tiểu cho tụ lọc biết điện áp tức thời trên tải có giá trị nhấp nhô trong phạm vi 0,5 V. Chọn giá trị điện dung gần dảy giá trị thực tế (10 ; ; 33 ; 47 ; 100 ; 0 ; 330 ; ). Tính lại hệ số nhấp nhô với giá trị tụ lọc được chọn. b./ Áp hiệu dụng cấp vào mạch chỉnh lưu ĐÁP SỐ: a./ r = 0,0193 ; C = 45,49 µf chọn C = 47 µf r = 1,86 % b./ V in = 18,97 19 V BÀI TẬP 8. Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ không mạch lọc lắp ở thứ cấp biến áp cách ly, biết áp hiệu dụng ngõ vào biến áp là 110 V 50Hz và áp ngõ ra của mạch chỉnh lưu có giá trị đỉnh là 15 V. Điện trở tải R 700. Khi lắp thêm mạch lọc tụ điện áp DC trên ngõ ra là 14 V. Khi xem các L diode chỉnh lưu lý tưởng, xác định hệ số nhấp nhô trên tải suy ra điện dung của tụ lọc. ĐÁP SỐ: r = 4,1% ; C = 100 µf Vab D 1 1V D 3 C R L BÀI TẬP 8.3 Thiết kế mạch chỉnh lưu toàn kỳ có mạch lọc dùng tụ, dùng biến áp cách ly thứ cấp có điểm giữa. Áp hiệu dụng thứ cấp biến áp là 18 V 0 18 V. Điện trở tải R 680. Biết rằng các diode chỉnh L lưu lý tưởng, tần số nguồn điện cấp vào biến áp là 50 Hz và hệ số nhấp nhô trên tải không vượt quá 5%. Vbc 1V ĐÁP SỐ: C = 84,9 µf chọn C= 100 µf, r = 4,5% ; V DC = 3,7 V D 4 D C R L BÀI TẬP 8.4 Tìm hiểu và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu trong hình H8.7. Khảo sát mạch theo các trường hợp : HÌNH H8.7 a./ TH 1 : Không dùng các tụ lọc C. b./ TH : Có dùng tụ lọc C. BÀI TẬP 8.5 HÌNH H8.73 Vẽ dạng sóng của điện áp ra V OUT của các mạch (a) ; (b); (c) trong hình H8.73. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm.

150 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG BÀI TẬP 8.6 HÌNH H8.74 Vẽ dạng sóng của điện áp ra V trên điện trở tải R của các mạch (a) ; (b); (c) trong hình OUT L H8.74. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. BÀI TẬP 8.7 HÌNH H8.75 Vẽ dạng sóng của điện áp ra V OUT của các mạch (a) ; (b) trong hình H8.75. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. BÀI TẬP 8.8 HÌNH H8.76 Vẽ dạng sóng của điện áp ra V OUT của các mạch (a) ; (b) ; (c) và (d) trong hình H8.76. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm.

151 306 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 8 BÀI TẬP 8.9 Với đặc tuyến của diode zener lúc phân cực nghịch cho trong hình H8.77, xác định gần đúng dùng đồ thị giá trị của dòng điện cực tiểu I. Suy ra áp zener V ZK Z tương ứng với dòng I ZK. HÌNH H8.77 BÀI TẬP 8.14 BÀI TẬP 8.10 Khi dòng điện phân cực nghịch qua diode zener gia tăng từ 0 ma đến 30 ma, điện áp zener thay đổi từ 5,6 V đến 5,65V. Xác định tổng trở nội của linh kiện. BÀI TẬP 8.1 Cho diode zener có tổng trở nội bằng 15 Ω. Điện áp giữa hai đầu linh kiện là bao nhiêu tại dòng điện qua linh kiện là 50 ma, biết V 4,7V tại I ZT ZT 5mA. BÀI TẬP 8.13 Cho diode zener có thông số như sau: V 6,8V tại 5 o C và Z TC 0,04 % / C ; tìm o V tại 70 o C. Z Cho mạch điều hòa điện áp trên tải dùng diode zener theo hình H8.78, biết V 5,1V tại Z I 49mA; I ZT ZK 1mA; Z 7 và I Z ZM 70mA. Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của dóng qua tải. Phân tích lại mạch điện hình H8.78 lúc không tải và áp V thay đổi trong phạm vi từ 6V đến 1 V. IN HÌNH H8.78

152 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHƯƠNG 09 TRANSISTOR CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC 9.1.TỔNG QUAN VỀ TRANSISTORS: CẤU TRÚC CỦA TRANSISTORS: Lớp kim loại tiếp xúc Lớp Oxid BJT (Bipolar Junction Transistor) được tạo nên từ ba lớp bán dẫn phân cách nhau bởi hai mối nối pn, xem hình H9.1 HÌNH H 9.1 Mối nối Nền Thu (Base Collector Junction) Mối nối Nền Phát (Base Emitter Junction) Ba vùng bán dẫn trong transistor được gọi là : vùng Phát (Emitter) ; Nền (Base) và Thu (Collector). Các hình vẽ dùng biểu diễn cấu trúc vật lý của các loại transistor : pnp và npn trình bày trong hình H9.. Mối nối pn giữa vùng nền và vùng thu được gọi là mối nối nềnthu (Base Collector Junction). Tương tự mối nối pn giữa vùng nền và vùng phát là mối nối nền phát (Base Emitter Junction). Các đầu ra của linh kiện được đặt trên mỗi vùng và ký hiệu bằng các ký tự E (Phát) ; B (Nền) và C( Thu). Transistor npn HÌNH H 9. Transistor pnp Trong hình H9.3, trình bày các ký hiệu cho các loại transistor npn và pnp Vùng Nền chứa ít tạp chất và rất mỏng so với vùng Phát có nhiều tạp chất nhất và vùng Thu có số lượng tạp chất trung bình NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTORS: Muốn transistor hoạt động như bộ khuếch đại, hai mối nối pn phải được phân cực đúng bằng các nguồn DC ngoài. Trong chương này chúng ta dùng transistor npn khảo sát, nguyên lý hoạt động của transistor pnp được suy ra một cách tương tự ngoại trừ các qui luật về điện tử và lổ trống, cực tính của các nguồn áp phân cực và hướng của dòng qua linh kiện. Trong hình H9.4 trình bày phương pháp phân cực cho các transistor npn và pnp để linh kiện tác động như một bộ khuếch đại (amplifier). Cần nhớ: Mối nối Nền Phát được phân cực thuận. Mối nối Nền Thu được phân cực nghịch. HÌNH H 9.3 Để giải thích hoạt động của transistor, chúng ta cần khảo sát các sự kiện xãy ra bên trong transistor npn.

153 308 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 BC phân cực nghịch Transistor npn BE phân cực thuận BC phân cực nghịch BE phân cực thuận Transistor pnp Trong hình H9.4 trình bày các mạch phân cực cho transistor npn và pnp. Mối nối BC phân cực nghịch và mối nối BE phân cực thuận. HÌNH H 9.4: Các mạch phân cực transistor Khi phân cực thuận mối nối pn Nền Phát, vùng nghèo tại mối nối thu hẹp. Khi phân cực nghịch mối nối pn Nền Thu, vùng nghèo tại mối nối mở rộng, hình H9.5. Vì vùng Phát là bán dẫn loại n có nồng độ tạp chất cao đẩy ào ạt các điện tử tự do (trong dảy dẫn) khuếch tán dễ dàng qua mối nối pn Nền Phát để vào lớp bán dẫn p tại vùng Thu. Tại vùng này các điện tử trở thành các hạt tải thiểu, tương tự như trường diode phân cực thuận. Vì vùng Nền hẹp và là bán dẫn cố nồng độ tạp chất thấp nhất, do đó số lượng lỗ trống trong vùng này hữu hạn. Như vậy, một phần nhỏ các điện tử sau khi qua mối nối Nền Phát có thể tái hợp với số lổ trống hữu hạn trong cực nền. Một số rất ít các điện tử không tái hợp đi ra khỏi cực nền là dòng điện tử hóa trị, hình thành dòng điện nhỏ trong cực nền. Phần lớn các điện tử từ cực phát đi vào vùng nền không thực hiện quá trình tái hợp nhưng khuếch tán vào vùng nghèo của mối nối pn Nền Thu. Ngay khi đến vùng này các điện tử được kéo qua vùng mối nối phân cực nghịch do tác động của điện trường tạo bởi lực hấp dẫn giữa các ion dương và âm. Thực sự chúng ta có thể thấy các điện tử được kéo sang vùng nghèo của mối nối phân cực nghịch Nền Thu do điện áp của nguồn ngoài đang đặt trên cực thu. Các điện tử đi ngang qua vùng Thu đến cực Thu và đi về cực dương của nguồn áp ngoài đang cấp vào cực thu. Điều này hình thành dòng cực thu I C. Dòng cực thu có giá trị rất lớn hơn so với dòng qua cực nền I B. Đây chính là lý do tạo được độ lợi dòng điện (current gain) CÁC THÀNH PHẦN DÒNG ĐIỆN QUA TRANSISTORS Transistor npn Transistor pnp HÌNH H 9.6: Thành phần dòng điện qua transistor.

154 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Trong hình H9.6 trình bày các thành phần dòng điện và hướng của dòng qua transistor npn và pnp. Quan hệ giữa các thành phần dòng điện thỏa định luật Kirchhoff 1 như sau: I I I E C B (9.1) Nên nhớ giá trị dòng qua cực nền I B rất nhỏ so với dòng I C. Các chỉ số dùng trong các ký hiệu dòng điện được ghi bằng các chữ in hoa để xác định các thành phần dòng điện này là dòng một chiều DC. Vùng nghèo tại mối nối Nền Thu (B-C) Phân cực Nghịch mối nối Nền Thu Dòng điện tử cực Thu ( I C ) Dòng điện tử cực Nền ( I B ) Vùng nghèo tại mối nối Nền Phát (B-E) Phân cực Thuận mối nối Nền Phát Dòng điện tử cực Nền ( I B ) Dòng điện tử cực Phát I I I E C B Dòng điện tử cực Thu ( I C ) HÌNH H 9.5

155 310 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CÁC THÔNG SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANSISTORS: Khi các transistor npn hay pnp được kết nối với các nguồn áp DC phân cực, gọi : V BB là nguồn áp DC phân cực thuận mối nối nền phát và V là CC nguồn áp DC phân cực nghịch mối nối nền thu, xem hình H9.7. HÌNH H HỆ SỐ DC VÀ HỆ SỐ DC : Hệ số được gọi là độ lợi dòng điện DC và được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua DC cực thu I C so với dòng DC qua cực nền I B. Ta có: IC DC (9.) IB Hệ số còn được gọi là h DC FE là thông số của transistor trong mạch tương đương tính theo thông số h thường được áp dụng khi thiết kế các mạch khuếch đại dùng transistor. Giá trị của hệ số h trong phạm vi từ 0 đến 00 hay lớn hơn. DC FE Hệ số được định nghĩa là tỉ số dòng DC qua cực thu I DC C so với dòng DC qua cực phát I E. Ta có: IC DC (9.3) I Hệ số Giá trị của hệ số E ít được sử dụng hơn so với hệ số DC trong phạm vi từ 0,95 đến 0,98 hay lớn hơn. DC GIẢI TÍCH ÁP VÀ DÒNG TRONG MẠCH PHÂN CỰC TRANSISTOR: trong quá trình tính toán hay thiết kế. DC Trong mạch phân cực hình H9.8, gọi: V : điện áp DC giữa cực nền và cực phát. BE V : điện áp DC giữa cực thu và cực phát. CE V : điện áp DC giữa cực thu và cực nền. CB HÌNH H 9.8 V là áp phân cực thuận mối nối nền phát (BE) và BB V là áp phân cực ngược mối nối nền thu (BC). Khi CC mối nối BE phân cực thuận, tương tự như diode điện áp giữa mối nối BE là: V 0,7 V. BE

156 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Mặc dù trong các transistor thực sự, áp V BE có thể cao đến mức 0,9 V và phụ thuộc vào dòng điện, trong tài liệu này chúng ta dùng giá trị 0,7 V để đơn giản trong quá trình phân tích các vấn đề cơ bản. Suy ra: Suy ra: Áp dụng định luật Kirchhoff cho mắt lưới phía cực nền, ta có quan hệ: V R I V (9.4) BB B B BE V V BB BE I B (9.5) RB Áp dụng định luật Kirchhoff cho mắt lưới phía cực thu, ta có quan hệ: V R I V (9.6) CC C C CE CE CC C C CC C DC B V V R I V R.I (9.7) THÍ DỤ 9.1: Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.9, biết transistor có hệ số 150. Xác định các dòng điện: I DC B ; I ; I C E và các áp V và CE V. CB GIẢI: Áp dụng quan hệ (9.5), ta có: HÌNH H 9.9 I B V V BB BE 5V 0,7V 0,43mA R 10k B Áp dụng quan hệ (9.) suy ra dòng qua cực thu là: Áp dụng quan hệ (9.1) hay định luật Kirchhoff 1, ta có: Áp dụng quan hệ (9.7) để xác định áp Áp dụng định luật Kirchhoff ta có: V, ta có: CE I.I 150 0,43 64,5 ma C DC B I I I 64,5 0,43 64,93mA E C B V ,0645 3,55 V CE V V V 3,55 0,7,85V CB CE BE ĐẶC TUYẾN CỰC THU CỦA TRANSISTOR: Áp dụng mạch điện trong hình H9.10 để xác định đặc tuyến cực thu bằng thực nghiệm. Đặc tuyến cực thu của transistor là đồ thị mô tả quan hệ giữa áp V theo dòng I, khi chọn CE C dòng I B làm thông số. Đặc tuyến cực thu của transistor được trình bày trong hình H9.11. HÌNH H 9.10

157 31 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 Vùng ngưng dẫn Vùng bảo hòa Vùng hoạt động Vùng BREAK DOWN b. Quan hệ giữa dòng I C theo áp V CE khi thay đổi giá trị của dòng I B I B1 < I B < I B <... a. Quan hệ giữa dòng I C theo áp V CE tại môt giá trị của dòng I B HÌNH H 9.11: Đặc tuyến cực thu của transistor Giả sử áp V được chỉnh để tạo ra giá trị I BB B bất kỳ và áp các mối nối BE và BC phân cực thuận vì áp V 0,7V trong khi áp BE BE và BC phân cực thuận, transistor hoạt động trong vùng bảo hòa. Khi tăng áp V, áp CC VCC VCE 0V. Tại điều kiện này 0V. Khi các mối nối V tăng dần khi dòng I CE C tăng; quá trình được xác định bởi đoạn đặc tuyến AB trong hình H9.11a. I C tăng khi V CC tăng vì V CE duy trì giá trị nhỏ hơn 0,7 V tùy thuộc vào sự phân cực thuận mối nối nền thu. Một cách lý tưởng, khi V CE vượt cao hơn giá trị 0,7 V, mối nối BC bắt đầu phân cực nghịch và transistor bắt đầu đi vào vùng hoạt động hay vùng tuyến tính. Khi mối nối BC phân cực nghịch dòng I C ngừng tăng và duy trì giá trị không đổi tương ứng với giá trị của dòng I B khi áp V CE tiếp tục gia tăng. Thực sự dòng I C có hơi gia tăng giá trị khi V CE gia tăng do độ rộng của vùng nghèo tại mối nối nền thu. Hệ quả này do một số ít lổ trống thực hiện quá trình tái hợp trong vùng nền làm hệ số hơi giảm thấp giá trị. Quá trình này được trình bày bằng đoạn BC DC trên đặc tuyến cực thu. Phần đặc tuyến này trình bày quan hệ I C DC.I B. Khi V CE tăng đến mức đủ lớn, mối nối BC phân cực nghịch đạt đến trạng thái phá vở phân cực nghịch và dòng cực thu gia tăng rất nhanh. Quá trình này được biểu diễn bằng đoạn đặc tuyến phía phải điển C trong hình H9.11a. Các transistor không được tính toán để hoạt động trong vùng phá vở phân cực nghịch của mối nối nền thu. Họ đặc tuyến cực thu là các đồ thị trình bày quan hệ giữa dòng I C theo áp V khi thay đổi CE giá trị I B, hay chọn dòng I B làm thông số. Họ đặc tuyến cực thu được trình bày trong hình H9.11b. Khi I B 0 transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn (cut off) mặc dù ta có thể định được giá trị rất nhỏ của dòng I C.

158 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG THÍ DỤ 9.: Cho mạch dùng xác định đặc tính cực thu như trong hình H9.10, giả sử transistor có hệ số khuếch đại DC DC 100, giá trị của dòng I B khảo sát trong phạm vi từ : 5A 5 A. Dạng của họ đặc tuyến cực thu được xác định theo phân tích trên trình bày trong hình H9.1 với thông số I thay đổi nhày cấp B tương ứng với 5 A. HÌNH H 9.1: Họ đặc tuyến cực thu của transistor VÙNG NGƯNG DẪN (CUT OFF): Như đã trình bày trong mục trên khi dòng I 0; transistor hoạt động trong vùng ngưng B dẫn, trong hình H9.13 cực nền hở mạch mô tả dòng qua cực nền triệt tiêu. Trong điều kiện này, sẽ có dòng điện rò qua cực thu rất nhỏ, I CEO phụ thuôc vào điều kiện nhiệt tác động lên các hạt tải. Trong quá trình giải tích, thường bỏ qua giá trị I tại vùng ngưng dẫn và xem như CEO V V. Trong vùng ngưng dẫn các mối nối CE CC pn nền phát và nền thu đều phân cực nghịch. HÌNH H 9.13: Dòng điện rò cực thu I CEO tại trạng thái ngưng dẫn (cut off). HÌNH H 9.14: Dòng I B tăng làm I C tăng và V giảm. CE Khi transistor bảo hòa dòng I C tăng không phụ thuộc vào tốc độ tăng của dòngi. B VÙNG BÀO HÒA (CUT OFF): Khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng I B gia tăng, dòng cực thu I C cũng gia tăng theo quan hệ I.I, lúc này áp V C DC B CE được xác định theo quan hệ (9.6) hay: V V R.I CE CC C C Tóm lại khi hòa quan hệ I C DC.I B không còn duy trì chính xác. Áp CE SAT khuỷu của đặc tuyến cực thu và có giá trị khoảng I và I B C tăng thì V giảm. CE Khi V giảm đến trạng thái giá trị bảo hòa CE V, mối nối nền thu bắt đầu phân cực CE SAT thuận và dòng I C tăng nhanh. Tại lúc bảo V thường được xác định tại điểm V 0,4V 0,5V đới với transistor Silicon. CE SAT

159 314 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐƯỜNG TẢI DC (DC LOAD LINE): Vùng bảo hòa và vùng ngưng dẫn trong đặc tuyến cực thu có quan hệ với đường tải điện DC. Khi cấp nguồn cho transistor hoạt động theo mạch trong hình H9.10 hay H9.14; phương trình cân bằng áp trong mắt lưới chức cực thu phát của transistor được viết theo quan hệ (9.6), ta có: V V R.I Với giá trị CE CC C C V và R CC C cho trước, ta xem áp V CE là hàm theo biến số I C. Đồ thị mô tả quan hệ V CE f I C có dạng đường thẳng chính là đường tải DC. Đường thẳng này cắt trục hoành tại điểm có tọa độ V V ;I 0 CE CC C tại vùng HÌNH H 9.15: Đường tải DC ngưng dẫn. V CC Đường tải DC còn cắt trục tung tại điểm có tọa độ V 0;I ; vị trí này nằm sâu CE C R C trung vùng bảo hòa, xem hình H9.15. Phạm vi còn lại của đường tải DC là vùng hoạt động tuyến tính của transistor. HÌNH H 9.16 THÍ DỤ 9.3: Cho mạch transistor theo hình H9.16, giả sử áp bảo hòa V CE SAT 0,V; xác định trạng thái hoạt động của transistor. GIẢI Đầu tiên xác định dòng qua cực nền của transsitor theo điều kiện hiện có của mạch điện phân cực theo hình H9.16. I V V 3V 0,7V BB BE B R 10k B Giả sử transistor hoạt động trong vùng tuyến tính, ta có quan hệ sau: I.I 50 0,3mA 11,5mA C DC B C 0,3mA Muốn biết transistor có hoạt động trong vùng bảo hòa hay không ta cần xác định giá trị của dòng I C lúc bảo hòa. Ta có quan hệ sau: V V CC CE SAT 10 V 0, V I 9,8mA CSAT R 1k So sánh kết quả của dòng I C vừa tìm được với giá trị dòng I C SAT ta kết luận I C I CSAT nên transistor đang làm việc trong trạng thái bảo hòa.

160 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ LÊN HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI DÒNG : DC HÌNH H 9.17: Ảnh hưởng cũa nhiệt độ lên hệ số khuếch đại DC Hệ số khuếch đại hay h DC FE là thôngsố quan trọng của transistor, khi phân tích hay thiết kế ta cần khảo sát thông số này một cách kỹ lưởng và chi tiết hơn. Thực sự không hoàn toàn DC là hằng số, giá trị này thay đổi khi dòng I C và nhiệt độ môi trường thay đổi, xem hình H9.17. Khi duy trì nhiệt độ của các mối nối pn ổn định và gia tăng dòng I C hệ số mức tối đa. Khi duy trì giá trị I C không đổi và thay đổi nhiệt độ, đổi: nhiệt độ tăng hệ số tăng và ngược lại nhiệt độ giảm hệ số DC Trong các tài liệu kỹ thuật thường cho giá trị tăng đến DC thay đổi trực tiếp khi nhiệt độ thay DC giảm. DC hay h DC FE tại giá trị dòngi C định trước. Hơn nữa, với giá trị dòng I C tại nhiệt độ định trước, hệ số cũng thay đổi theo từng linh kiện dù rằng DC các linh kiện này có cùng mã số; sự kiện này phụ thuộc vào phương thức sản xuất của mỗi nhà sản xuất. Hệ số được xác định ứng với giá trị nào đó của dòng I DC C và thường là giá trị cực tiểu mặc dù giá trị cực đại và các giá trị mẫu của đôi khi cũng được đề cập đến trong các DCmin DC tài liệu kỹ thuật CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA TRANSISTOR: Transistor cũng như các linh kiện điện tử khác đều có giới hạn trong phạm vi hoạt động. Các giới hạn này được xác định theo thông số định mức qui định bởi các nhà sản xuất và trình bày trong các tài liệu kỹ thuật. Theo tiêu chuẩn, giá trị tối đa cho phép của các thông số transistor bao gồm điện áp: V ; V ; V ; dòng I CB CE BE C và công suất tiêu tán P. Trong đó: D Tích số của P và các giá trị Dmax DC P V.I (9.8) D CE C V và I CE C không được vượt quá mức công suất tiêu tán cực đại cho phép V và I CE C không thể đạt giá trị tối đa cùng lúc.

161 316 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 THÍ DỤ 9.4: Cho Transistor trong hình H9.18 có các giá trị cực đại của các thông số như sau: P 800 mw ; V 15V I 100 ma Dmax CEmax ; Cmax Xác định giá trị tối đa cho phép của nguồn áp V có thể điều chỉnh không vượt qua các giới CC hạn cho phép. Thông số nào sẽ vượt giá trị cho phép trước tiên. HÌNH H 9.18 I B GIẢI V V BB BE 5V 0,7V 0,195mA R k Dòng qua cực thu: C B I.I 100 0,195 19,5 ma DC B Dòng qua cực nền: Dòng I C có giá trị nhỏ hơn dòng cực đại cho phép I Cmax không phụ thuộc vào áp V mà chỉ phụ thuộc vào dòng I CC B và hệ số khuếch đại Điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R : C V R.I 1k 19,5 ma 19,5 V R C C C Áp dụng định luật Kirchhoff trong mắt lưới chứa cực thu và phát, ta có: V V V Hay: CC CE R C Khi V CE đạt giá trị tối đa cho phép, ta có quan hệ: V V V 15 19,5 34,5V CCmax CE max R C Công suất tiêu tán trên transistor tại lúc đạt V : CEmax P V I 15 V 19,5 ma 9,5mW D CEmax C Giá trị P tìm được nhỏ hơn giá trị D hạn cho phép trước tiên khi thay đổi áp PDmax V V V CE CC R C 800 mw. Tóm lại giá trị V không vượt quá giới hạn 34,5 V. CC 100 ma, hơn nữa giá trị này. DC VCEmax 15Vđạt giới Tuy nhiên nên nhớ khi ngừng cấp dòng cực nền chuyển transistor sang trạng thái ngưng dẫn, áp V lúc này đạt giá trị bằng với áp V 34,5V. CE CCmax SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI THEO NHIỆT ĐỘ: Tương tự như các linh kiện bán dẫn khác, giá trị công suất tiêu tán P thường được cho Dmax tại điều kiện nhiệt độ 5 o C. Khi nhiệt độ làm việc của môi trường tăng lên giá trị P cần hiệu Dmax chỉnh giảm thấp xuống. Hệ số giảm công suất tiêu tán K có đơn vị tính theo mv PD o C, gọi P là D độ thay đổi công suất tiêu tán khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng T, ta có quan hệ sau: D PD P K T (9.9)

162 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG THÍ DỤ 9.5: Cho Transistor bất kỳ có công suất tiêu tán cực đại cho phép là P Dmax số thay đổi công suất tiêu tán của linh kiện là cho phép của linh kiện khi làm việc tại 70 o C. GIẢI Áp dụng quan hệ (9.9) ta có: D PD K 5 mw P K T mw PD o 1W tại 5 o C. Hệ. Xác định công suất tiêu tán tối đa C Suy ra công suất tiêu tán tối đa cho phép của transsitor khi làm việc tại 70 o C là: P P P mw Dmax o Dmax o D 70 C 5 C 9..CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR: 9..1.CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI: CÁC ĐẠI LƯỢNG DC VÀ AC: Trước khi trình bày chế độ khuếch đại của transistor, chúng ta cần xác định ký hiệu dùng cho các đại lương dòng, áp và điện trở trong mạch; vì mạch khuếch đại sẽ hoạt động đồng thời với các đại lượng xoay chiều AC và một chiều DC. Trong mục này, chúng ta dùng các ký hiệu chữ in hoa cho dòng (I) và áp ( V ) để biểu thị cho giá trị hiệu dụng, giá trị trung bình và giá trị đỉnh đến đỉnh (peak to peak) của áp AC. Các ký hiệu viết bằng chữ thường dùng biểu diễn các giá trị tức thời cho dòng (i) và áp ( v ). Các đại lượng DC được đánh chỉ số bằng các ký tự in hoa, thí dụ như I B, I C hay V, BE V.. CE các ký hiệu V, V, V là áp tính từ các cực của transistor tính đến điểm mass chung (nút chuẩn C B E 0V) của mạch. Các đại lượng AC là các đại lượng thay đổi theo thời gian được đánh chỉ số bằng các ký tự in thường, thí dụ như i b, i c hay v be, v.. các ký hiệu v, v, v là áp AC từ các cực của ce c b e transistor tính đến điểm mass chung (nút chuẩn 0V) của mạch. Các điện trở trong mạch được ký hiệu bằng chữ in hoa R, các nội trở trong transistor được ký hiệu là r', r'. Các điện trở mạch ngoài dùng cho giải tích với tín hiệu DC có các chì số lả chữ in hoa như: e R ; E chữ thường như: R.. các điện trở mạch ngoài dùng cho giải tích với tín hệu AC có chỉ số là các B R. e KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR: Theo các nội dung đã khảo sát nêu trong các mục trên, dòng qua cực thu của transistor được khuếch đại vì bằng tích số dòng qua cực nền với hệ số khuếch đại. Giá trị dòng điện cực nền thường rất nhỏ so với dòng cực thu và cực phát, do đó có thể xem dòng cực thu và cực phát có giá trị xấp xỉ bằng nhau. phân cực Xét mạch điện trong hình H9.19, nguồn áp AC v in được cung cấp xếp chồng với áp DC V tại cực nền bằng cách đấu nối tiếp các nguồn và nối tiếp với điện trở cực nền BB Điện áp phân cực V CC nối đến cực thu thông qua điện trở R. C R. B

163 318 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 a./ Áp AC và áp DC phân cực đấu nối tiếp HÌNH H 9.19 b./ Dạng áp AC vào và áp AC ra trên cực thu. Nguồn áp AC tạo ra dòng AC qua cực nền dẫn đến dòng AC qua cực thu. Dòng AC qua cực thu tạo áp AC ngang qua điện trở R. Tác động của C transistor trong trường hợp này khuếch đại tín hiệu AC cấp vào cực nền và được đưa ra trên điện trở R. Cần nhớ áp AC C nhận trên R đảo pha so với áp C AC cấp vào trên cực nền. Do mối nối nền phát phân cực thuận nên điện trở nội xét đối với tín hiệu AC có giá trị rất thấp. Gọi r' là điện trở nội cực phát xét đối với tín hiệu AC, dòng cực phát tính đối với áp AC là: e vb i i (9.9) e c r' Áp AC trên cực thu là e v bằng với áp AC đặt ngang qua hai đầu điện trở C v R.i R.i C C c C e Áp AC tại cực nền được xác định theo quan hệ: v v R.i b in B b v được xem là áp AC ra của mạch khuếch đại. Tỉ số của áp C v và C (hay hệ số khuếch đại áp) A của mạch transistor. v v R.i R c C e C A (9.10) v v r'.i r' Vì b e e e R là điện trở ngoài và có giá trị rất lớn so với điện trở nội C có biên độ rất lớn hơn so với điện áp cấp vào. R : C v là độ lợp điện áp b r' điện áp ra nhận được luôn e THÍ DỤ 9.6: Cho mạch khuếch đại áp AC dùng transistor như trong hình H9.0; xác định độ lợi điện áp và áp ngõ ra; biết điện trở nội r' 50. GIẢI: Áp dụng quan hệ (9.10) ta có: e R 1k C A 0 v r' 50 e Áp AC ngõ ra là : HÌNH H 9.0 v A.v 0100mV V out v in

164 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG CHẾ ĐỘ ĐÓNG NGẮT: a./ Trạng thái ngưng dẫn; Khóa hở HÌNH H 9.1 b./ Trạng thái bảo hòa; Khóa đóng kín Trong hình H9.1 trình bày nguyên lý hoạt động cơ bản của transistor như một khóa điện dùng đóng ngắt mạch. Trong hình H9.1a transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn (cut off) vì mối nối nền phát không được phân cực thuận. Với điều kiện này xem như cực thu và phát hở mạch và được ký hiệu bằng khóa điện tương đương hở mạch. Trong hình H9.1b transistor hoạt động trong vùng bảo hòa (saturation) vì mối nối nền phát và mối nối nền thu được phân cực thuận; dòng cực nền có giá trị đủ lớn tạo ra dòng cực thu đạt đến mức bảo hòa. Với điều kiện này xem như cực thu và phát kín mạch và được ký hiệu bằng khóa điện tương đương kín mạch. Thực sự khi transistor đạt đến mức bảo hòa, giá trị V có giá trị trong khoảng 0,3 V đến 0,5 V. CEsat ĐIỀU KIỆN ĐẠT TRẠNG THÁI NGƯNG DẪN: Theo phân tích trên, transistor hoạt động trong vùng ngưng dẫn khi mối nối nền phát không phân cực thuận. Bỏ qua ảnh hưởng c của dòng điện rò, tất cả các dòng điện khác trong mạch có giá trị bằng 0 và áp V bằng áp nguồn ngoài V. Tóm lại: CE CC V CE SAT V (9.11) CC 9...ĐIỀU KIỆN ĐẠT TRẠNG THÁI BẢO HÒA: Theo phân tích trên, khi mối nối nền phát phân cực thuận và dòng cực nền đủ lớn để tạo dòng qua cực thu cực đại, transistor đạt trạng thái bảo hòa. Khi đạt trạng thái bảo hòa, ta có quan hệ sau: V V CC CE SAT I (9.1) CSAT R Trong trường hợp giá trị I C SAT C V có giá trị rất bé so với CE SAT C V ta có thế áp dụng quan hệ: CC VCC (9.13) R Giá trị cực tiểu của dòng qua cực nền đủ tạo trạng thái bảo hòa cho transistor thỏa quan hệ sau đây: IC SAT I (9.14) Bmin DC Trong thực tế vận hành ta tạo ra dòng I B có giá trị hơi lớn hơn giá trị I Bmin xác định theo quan hệ (9.14) để duy trì tốt trạng thái bảo hòa cho transistor.

165 30 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 THÍ DỤ 9.7: Cho mạch transistor như trong hình H9.; xác định: HÌNH H 9. a./ Áp V khi CE Vin 0V b./ Dòng I Bmin để transistor đạt trạng thái bảo hòa, biết 00, bỏ qua giá trị áp DC c./ Giá trị cực đại của điện trở V. CE SAT R khi B Vin 5V. GIẢI: a./ Áp dụng quan hệ : V CE V CC R C.I C, khi V in 0V dòng qua cực nền I B 0A, dòngi C DC.I B 0A transistor ngưng dẫn; suy ra V V 10V. CE CC b./ Khi bỏ qua ảnh hưởng của áp I CSAT VCC 10 V 10mA R 1k C DC V, dòng I CE SAT Bmin được xác định như sau: IC SAT 10mA I 0,05mA 50A Bmin 00 c./ Giá trị cực đại của điện trở Suy ra: R ; áp dụng phương trình cân bằng áp phía cực nền, ta có: B V R.I V Hay: BB B B BE R V V 5V 0,7V 86k in BE Bmax I 50A Bmin R B V BB V I B BE THÍ DỤ 9.8: Cho mạch transistor như trong hình H9.3; trong đó đèn LED (Light - Emitting Diode) là diode phát quang khi được phân cực thuận và sẽ không phát sáng khi phân cực nghịch hoặc không được phân cực. Cho dòng điện qua LED khi phát sáng là 30 ma. Áp cấp vào cực nền có dạng xung chữ nhựt. Biết: V R 3,3k ; B CC 9V; V 0,3V; 50. DC CE SAT R 70 ; C HÌNH H 9.3 Xác định biên độ của sóng xung chữ nhựt đủ để transistor bảo hòa. Khi tính toán chọn dòng điện qua cực nền bằng lần giá trị I Bmin để đảm bảo transistor bảo hòa hoàn toàn.

166 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 31 GIẢI: Trước tiên với các giá trị của phần tử mạch ta xác định giá trị dòng điện I Bmin trước tiên; ta có dòng I C SAT xác định theo quan hệ sau: Suy ra: V V CC CE SAT 9 0,3 I 0,03 A 3, ma CSAT R 70 I Bmin DC C IC SAT 3, 0,644 ma 50 Theo yêu cầu của đầu đề thí dụ khi chọn dòng qua cực nền dùng tính biên độ cho áp xung chữ nhựt có giá trị gấp lần I, ta có: Bmin I.I 0,644 1,88 ma B Bmin Gọi V là biên độ xung chữ nhựt, ta có quan hệ sau tại cực nền: in V R I V 3,3 k 1,88 ma 0,7 V 4,95 V in B B BE Tóm lại biên độ xung chữ nhựt cần có để transistor bảo hòa là V 4,95V in 9.3.HÌNH DẠNG VÀ VỊ TRÍ CHÂN RA CỦA TRANSISTOR: HÌNH H 9.4: Transistor vỏ nhựa dùng trong các ứng dụng tổng quát với tín hiệu có biên độ nhỏ. HÌNH H 9.5: Transistor vỏ kim loại dùng trong các ứng dụng tổng quát với tín hiệu có biên độ nhỏ.

167 3 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 HÌNH H 9.6: Cấu tạo của Transistor package, nhiều transistor chứa trong cùng một vỏ. HÌNH H 9.7: Transistor có công suất trung bình đến công suất lớn (Transistor công suất).

168 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 33 HÌNH H 9.8: Transistor dùng trong các ứng dụng có tần số cao (RF transistors). 9.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỰC TRANSISTOR: ĐIỂM LÀM VIỆC DC: PHÂN CỰC DC: Phân cực là thao tác xác định điểm làm việc DC cho các bộ khuếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính. Nếu bộ khuếch đại không được phân cực đúng điểm làm việc DC đối với tín hiệu áp ngõ vào và ngõ ra, có thể dẫn đến quá trình ngưng dẫn hay bảo hòa khi cấp tín hiệu vào bộ khuếch đại. Trong hình H9.9 trình bày Ký hiệu của bộ khuếch đại các ảnh hưởng khi phân cực DC thích hợp hay không thích hợp cho các bộ khuếch đại đảo pha. a./ Khuếch đại tuyến tính, tín hiệu ra đảo pha và có biên độ lớn hơn tín hiệu vào nhưng không bị sái dạng. b./ Khuếch đại phi tuyến, tín hiệu ra đảo pha có biên độ lớn hơn tín hiệu vào nhưng bị xén đầu phía trên do transistor ngưng dẫn. Trong hình a tín hiệu ra được khuếch đại, nhưng đảo pha so với tín hiệu ngõ vào. Tín hiệu ra dao động quanh giá trị mức áp V DC phân cực trên ngõ ra. Phân cực không thích hợp sẽ tạo ra sự sái dạng của tín hiệu ra như trường hợp trình bày trong hình b và c. Trong hình b phần áp dương của tín hiệu ra bị giới hạn là do điểm Q (điểm làm việc DC) phân cực quá gần vùng ngưng dẫn. c./ Khuếch đại phi tuyến, tín hiệu ra đảo pha và có biên độ lớn hơn tín hiệu vào nhưng bị xén đầu phía dưới do transistor bảo hòa. HÌNH H 9.9: Khuếch đại tuyến tính và phi tuyến. Trong hình c phần áp âm của tín hiệu ra bị giới hạn là do điểm Q (điểm làm việc DC) phân cực quá gần vùng bảo hòa GIẢI TÍCH MẠCH DÙNG ĐỔ THỊ: Transistor trong hình H9.30 được phân cực khi thay đổi áp V và CC V để đạt được các giá BB trị I B ; I C ; I E và V. Họ đặc tuyến cực thu của transistor được trình bày trong hình H9.30b, ta sử CE dụng các đặc tuyến này để mô tả kết quả đặt được từ phương pháp phân cực DC. Trong hình H9.31, chúng ta xác định 3 giá trị dòng I B để khảo sát sự thay đổi giá trị của dòng I C và áp V. CE C DC B Đầu tiên điều chỉnh áp V BB để có được dòng I B I.I suy ra IC 0mA, ta có áp V xác định như sau: CE 00 A, xem hình H9.31a; từ quan hệ

169 34 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 a./ Mạch phân cực HÌNH H 9.30: Phân cực transistor dùng đồ thị b./ Họ đặc tuyến cực thu HÌNH H 9.31: Phân cực thay đổi điểm làm việc Q của transistor.

170 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 35 IC V V R.I 10 V (0mA).(0 ) 5,6 V CE CC C C Điểm làm việc Q được ký hiệu là Q 1 xác định trong hình H9.31a. Kế tiếp trong hình H9.31b, giá trị 30mA, ta có: và dòng I C V 10 V (30mA).(0 ) 3,4 V CE V được tăng lên để tạo ra dòng I BB B Điểm làm việc Q được ký hiệu là Q xác định trong hình H9.31b. Sau cùng trong hình H9.31c, giá trị 40mA, ta có: V 10 V (40mA).(0 ) 1, V CE V được tăng cao hơn để tạo ra dòng I BB B Điểm làm việc Q được ký hiệu là Q 3 xác định trong hình H9.31c. 300 A và dòng 400 A ĐƯỜNG TẢI DC (DC LOAD LINE): Cần chú ý khi dòng I B tăng, dòng I tăng và áp V C CE giảm và ngược lại khi dòngi B giảm, dòng I C giảm và áp V CE tăng. Khi điều chỉnh tăng hay giảm áp V điểm làm việc DC của BB transistor sẽ di chuyển trên đường thẳng được gọi là đường tải DC (xem lại mục ). Đường tải DC cắt trục hoành tại 10V tương ứng với quan hệ V V. Đây là HÌNH H 9.33: Đường tải DC. điểm ngưng dẫn vì I C I E 0 Thực sự tại vị trí ngưng dẫn ta có dòng rò I CBO có giá trị rất nhỏ, thông thường chúng ta bỏ qua giá trị này. Đường tải DC cắt trục tung tại vị trí I C 45,5mA đây là điểm bảo hòa của transistor vì dòng I C đạt giá trị tối đa. Thực sự có giá trị áp rất nhỏ V đặt ngang qua cực thu và phát và CE SAT dòng I CSAT hơi nhỏ hơn giá trị I C 45,5mA, xem hình H CE CC Đường tải DC có dạng đường thẳng xác định theo quan hệ hàm như sau: 1 V CC I fv.v C CE CE R R C C (9.15)

171 36 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG VÙNG LÀM VIỆC TUYẾN TÍNH Vùng dọc theo đường tải DC từ vị trí bảo hòa đến vị trí ngưng dẫn được gọi là vùng làm việc tuyến tính của transistor. Khi transistor hoạt động trong vùng này, điện áp ra được tái tạo một cách tuyến tính với điện áp vào. Trong hình H9.34 trình bày một thí dụ về hoạt động của transistor trong vùng tuyến tính. Khi chưa cấp áp v in vào cực nền, điểm làm việc Q được xác định qua các phép tính sau: HÌNH H 9.34: I V V 3,7V 0,7V 300 A BB BE BQ R 10k B I.I A 30 ma CQ DC BQ CEQ CC C CEQ V V R.I 10 V 30mA. 0 3,4 V HÌNH H 9.35: Giả sử áp sin ngõ vào v xếp chồng với áp in phân cực V tạo thành BB dòng sin tại cực nền có biên độ là 100 A dao động quanh điểm làm việc Q có dòng I 300 A. Sự kiện BQ này đưa đến dòng cực thu có biên độ là 10mA dao động quanh điểm làm việc Q có dòng I 30mA. Với sự thay CQ đổi của dòng cực nền và dòng cực thu khi cấp áp sin dẫn đến áp giữa cực thu và phát có biên độ là, V dao động quanh điểm làm việc Q có V 3,4V. CEQ Điểm A trên đường tải DC trong hình H9.35 ứng với đỉnh dương của áp sin vào v. in Điểm B trên đường tải DC trong hình H9.35 ứng với đỉnh âm của áp sin vào v. in Điểm Q trên đường tải DC trong hình H9.35 ứng với điểm 0 của áp sin vào v. in V, I CEQ CQ và I BQ làm thông số của điểm làm việc DC khi không cấp áp sin vào cực nền.

172 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG SỰ SÁI DẠNG (DISTORSION) : Điểm làm việc Q chọn gần khu vực bảo hòa Điểm làm việc Q chọn gần khu vực ngưng dẫn HÌNH H 9.36: Sự sái dạng áp ngõ ra khi chọn điểm làm việc Q HÌNH H 9.37: Sự sái dạng áp ngõ ra do biên độ áp vào quá lớn Với nội dung phân tích vùng làm việc tuyến tính như vừa trình bày, điểm làm việc Q được chọn trên đường tải DC ngay vị trí trung điểm để tránh sự sái dạng áp ra sau khi được khuếch đại. Trong hình H9.36 khi chọn điểm làm việc Q lệch về vùng bảo hòa hay ngưng dẫn sẽ làm tín hiệu sin trên ngõ ra bị xén đỉnh dương hay đỉnh âm. Tuy nhiên sự sái dạng áp ngõ ra còn phụ thuôc biên độ của áp sin ngõ vào trên cực nền. Trong hình H9.37 trình bày trường hợp điểm làm việc Q được chọn tại vị trí giữa trên đường tải DC, nhưng biên độ tín hiệu áp vào quá lớn đẩn đến trạng thái xén đỉnh dương và đỉnh âm của áp ngõ ra. HÌNH H 9.38 THÍ DỤ 9.9: Xác định điềm làm việc Q của transistor cho trong mạch hình H9.38. Suy ra biên độ đỉnh của dòng cực nền để mạch hoạt động trong vùng tuyến tính. Biết 00. DC GIẢI Với mạch cho trước các thông số, điểm làm việc Q xác định bời cặp giá trị I C và V. CE V V BB BE 10 V 0,7 V I 0,1979 ma B R 47k B

173 38 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 I.I 00. 0,1979 ma 39,6 ma C DC B Áp DC đặt ngang qua cực thu và cực phát: Dòng cực thu : CE CC C C V V R.I 0 V ,6 ma 6,93 V Điểm làm việc Q của transistor có giá trị là : Khi transistor ngưng dẫn ta có : Khi transistor dẫn bảo hòa, ta có: ICcutoff ICQ 0A C 39,6mA và V 6,93V CEQ VCC 0 V I 0,0606 A 60,6 ma CSAT R 330 HÌNH H PHÂN CỰC DÙNG CẦU PHÂN ÁP: Với kết quả tính toán được, ta xác định vị trí điểm làm việc Q trên đường tải DC, xem hình H9.39. Điểm làm việc Q được chọn gần vùng bảo hòa, muốn áp ra không sái dạng ta cần có biên độ của dòng xoay chiều qua cực thu giới hạn trong phạn vi I I I. C CSAT CEQ I I I 60,6 39,6 1mA C C SAT CEQ Biên độ đỉnh của dòng xoay chiều cấp vào cực nền không tạo sái dạng được xác định theo quan hệ sau: IC 1 I 0,105 ma B 00 DC Trong các nội dung trên, chúng dùng hai nguồn DC độc lập để phân cực transistor. Trong thực tế chỉ cần dùng duy nhất một nguồn DC phân cực cho transistor, xem hình H9.40. Trong các đồ mạch nguyên lý để đơn giản hóa, ta thay thế ký hiệu của nguồn áp DC bằng ký hiệu vòng tròn có ghi cực tính nguồn áp phân cực. V CC HÌNH H 9.40 Điện áp phân cực tại cực nền được cung cấp bằng cầu phân áp dùng điện trở R và R 1, với nguồn áp DC cấp vào cầu phân áp là V CC. Trong hình H9.40, có hai dòng nhánh từ nút A đi xuống điểm Gnd (Ground) chung của mạch: một dòng đi qua R và thành phần dòng nhánh còn lại qua nối nối BE của transsistor và R. E Nếu dòng qua cực nền rất nhỏ so với dòng qua R, mạch phân cực xem như chỉ phụ thuộc vào cầu phân áp bao gồm các điện trở R và R. 1 Trong trường hợp dòng cực nền không đủ nhỏ để bỏ qua khi so sánh với dòng qua R, ta cần chú ý đến điện trở nhập tại cực nền R ; điện trở này xuất hiện giữa cực nền đến INbase điểm Gnd và song song với điện trở R, xem hình H9.41.

174 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐIỆN TRỞ NHẬP TẠI CỰC NỀN : HÌNH H 9.41 Nhìn về cực nền của transistor Để xây dựng các quan hệ dùng tính toán điện trở nhận tại cực nền, chúng ta sử dụng sơ đồ mạch tương đương trong hình H9.4. Trong đó: V là điện áp DC giữa cực nền và Gnd. IN I là dòng DC vào cực nền. IN Áp dụng định luật Ohm ta có: R V IN (9.16) INbase IIN Áp dụng định luật Kirchhoff áp cho mắt lưới nền phát ta có: V V R.I (9.17) IN BE E E Giả thiết V R.I, quan hệ (9.17) thu gọn lại như sau: BE E E V R.I (9.18) IN E E Hơn nữa ta còn có quan hệ : I E I C DC.I B, suy ra: V.R.I (9.19) IN DC E B Vì dòng điện I N I, so sánh quan hệ (91,6) và (9.19), ta có: B HÌNH H 9.4 R.R (9.0) INbase DC E THÍ DỤ 9.10: Xác định điện trở nhập từ cực nền của transistor trong mạch hình H9.43, biết hệ số khuếch đại 15 DC GIẢI Áp dụng quan hệ (90), ta có: R.R 15. 1k 15 k INbase DC E GIẢI TÍCH MẠCH PHÂN CỰC DÙNG CẦU PHÂN ÁP : Xét transistor npn dùng mạch cầu phân áp để phân cực theo hình H9.44a. Khi có xét đến điện trở nhập tại cực nền: R.R, gọi điện trở tương đương do R ghép song song với INbase INbase DC E HÌNH H 9.43 R từ cực nền xuống điểm Gnd là R, ta có: BG R BG R.R.R.R INbase DC E R R.R R INbase DC E (9.1) Hay: R BG 1 R R DC.R E (9.)

175 330 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 HÌNH H 9.44 Dòng qua cực phát thỏa quan hệ : I 1 C DC I I I I I. E C B C C DC DC Áp dụng cầu phân áp xác định điện áp V là áp từ cực nền xuống đến Gnd. V B B R.V R BG CC R BG 1 (9.3) Từ kết quả này chúng ta suy ra các đại lượng khác còn lại trong mạch bằng các quan hệ sau đây: V V V (9.4) E B BE V là áp từ cực phát xuống đến Gnd. E I V E (9.5) E RE (9.6) Khi 1, ta xem như I DC E I C, từ đó suy ra áp giữa hai cực thu phát của transistor: V V R.I V V V R.I (9.7) CE CC C C E CC E C E THÍ DỤ 9.11: Xác định điểm làm việc của mạch transistor trong hình H9.45, biết hệ số khuếch đại 100. DC GIẢI Điện trở nhập từ cực nền: R.R k INbase DC E Điện trở tương đương từ cực nền đến Gnd: INbase 56k. 5,6k R.R INbase R 5,091k BG R R 56k 5,6k HÌNH H 9.45 Áp V B từ nền xuống Gnd: V B BG 1 R.V 5,091k.10 V BG CC R R 5,091k 10 k 3,373 V Áp V E từ phát xuống Gnd: V V V 3,373 0,7,673 V E B BE Dòng I E : I E V E E,673 V R 560 4,77mA

176 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Áp dụng quan hệ (9.6) xác định dòng I C : DC 100 I.I.4,77 4,77 ma C E DC Áp V CE : CE CC E C C V V V R.I 10 V,673 V 1k. 4,77mA,6 V GIẢI TÍCH MẠCH PHÂN CỰC DÙNG MẠCH THÉVENIN TƯƠNG ĐƯƠNG : Ngoại trừ phương pháp giải tích mạch phân cực dùng cầu phân áp bằng phương pháp xác định tổng trở nhập như vừa trình bày, chúng ta có thể phân tích mạch phân cực dùng cầu phân áp bằng cách áp dụng định lý Thévénin. Đầu tiên thay thế mạch phân cực nền phát trong hình H9.46a bằng mạch tương tương Thevenin trình bày trong hình H9.46b. HÌNH H 9.46 Từ nút A xác định mạch Thévenin tương đương, ta có: V TH R.V R CC R 1 (9.8) R TH R R.R 1 R 1 (9.9) Sau khi thay thế mạch phân cực bằng mạch tương đương Thévénin, áp dụng mạch tương đương trong hình H9.46b xác định các thông số khác còn lại trong mạch để suy ra điểm làm việc Q của mạch. Vì: Suy ra: Tóm lại: Áp dụng định luật Kirchhoff áp trong mắt lưới cực nền phát chứa nguồn V ta có: TH V R.I V R.I (9.30) TH TH B BE E E E C B DC B B DC B I I I.I I 1.I (9.31) V R.I V R. 1.I I B TH TH B BE E DC B V V TH BE R 1.R TH DC E Từ quan hệ (9.3) suy ra dòng I C DC.I, dòng B I và áp E V CE (9.3)

177 33 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 THÍ DỤ 9.1: Tính lại điểm làm việc của mạchđiện transistor cho trong thí dụ 9.11 bằng phương pháp áp dụng mạch Thévénin tương đương thay thế cho mạch phân cực dùng cầu phân áp. GIẢI Áp Thévénin tương đương: Điện trở Thévenin tại cực nền của transistor: 10k. 5,6k 1 1 R 3,5897 3,59 TH R R 10k 5,6k 1 Dòng qua cực nền: I R.V 5,6 k.10 V CC V 3,5897 3,59 V TH R R 10k 5,6k R.R V V 3,59 V 0,7 V TH BE B TH DC E Dòng qua cực thu: R 1.R 3,59 k I.I ,048 ma 4,8 ma C DC B Dòng qua cực phát: I E I C I B 4,8 ma 0,048 4,848 ma 0,048 ma Áp giữa cực thu và cực nền của transistor: CE CC C C E E V V R.I R.I 10 1k. 4,8 ma ,848mA,49 V So sánh các kết quả tính toán trong hai thí dụ 9.11 và 9.1 cho thấy: điểm làm việc có giá trị các thông số chênh lệch rất nhỏ có thể chấp nhận. Kết quả tính toán hội tụ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA MẠCH PHÂN CỰC DÙNG CẦU PHÂN ÁP : Từ phương pháp giải tích dùng mạch tương đương Thévénin, dựa vào các quan hệ (9.30) và (9.31) ta có: R TH V.I V R.I (9.33) TH E BE E E 1 DC I E Khi ta cór V V TH BE R TH RE 1 DC R TH quan hệ (9.34) được viết lại như sau: E 1 DC (9.34) I E V V TH BE (9.35) R E Trong quan hệ (9.35) cho thấy dòng I E không phụ thuộc vào hệ số DC. Như vậy khi nhiệt độ thay đổi, hệ số thay đổi theo nhiệt độ nhưng dòng I DC E không thay đổi. Nếu I E I dòng C I B rất nhỏ; mạch phân cực có tính ổn định nhiệt vì điểm làm việc không phụ thuôc vào nhiệt độ.

178 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG GIẢI TÍCH MẠCH PHÂN CỰC DÙNG CẦU PHÂN ÁP CHO TRANSISTOR PNP : a./ Cực âm nguồn cung cấp V CC nối vào cực thu HÌNH H 9.47 b./ Cực dương nguồn cung cấp V EE nối vào cực phát Như đã biết transistor pnp cần đảo ngược cực tính của các nguồn ngoài phân cực so với mạch phân cực của transistor npn. Yêu cầu này được thực hiện với nguồn cung cấp vào cực thu của trsnsistor âm hơn so với điểm chung Gnd của mạch, xem hình H9.47a; hoặc cấp đầu dương nguồn áp phân cực vào cực phát của transistor pnp, xem hình H9.47b. Thông thường mạch phân cực cho transistor pnp được vẽ lại theo hình H9.48. Phương pháp giải tích về cơ bản thực hiện tương tự như phương pháp đã thực hiện cho transistor npn. Tuy nhiên cần chú ý: Transistor pnp dẫn khi mối nối phát nền (EB) phân cực thuận. Nói khác hơn điện thế tại cực phát E cao hơn điện thế tại cực nền B; V V. E B HÌNH H 9.48 Mối nối nền thu (BC) phân cực nghịch, điện thế cực nền B cao hơn điện thế tại cực thu C; V V. B C Để xác định điểm làm việc Q cho transistor pnp, đầu tiên chúng ta vẫn xác định điện trở nhập giữa cực phát và nền khi nhìn từ ngoài vào hai cực nền phát. Công thức áp dụng tương tự theo (9.0) R.R (9.36) IN DC E Suy ra điện trở tương đương R giữa cực phát và cực nền khi EB dùng cầu phân áp phân cực. Điện trở tương tương này do điện trở R ghép song song với R.Tương tự như quan hệ (9.) ta có: R EB IN R R 1.R DC Áp cấp vào cực nền xác định theo quan hệ: V B R R.V 1 EE R 1 EB Áp đặt vào cực phát xác định theo quan hệ: E (9.37) (9.38) V V V V 0,7V (9.39) E B EB B Dòng qua cực phát xác định theo quan hệ sau: I E V V EE E (9.40) R E

179 334 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 Từ giá trị tìm được cho dòng qua cực phát I E ta suy ra dòng qua cực thu theo quan hệ: DC I.I C E 1 DC Cuối cùng áp giữa cực phát và thu xác định theo quan hệ sau: (9.41) V V R.I (9.4) EC E C C Tương tự như trường hợp transistor npn, với transistor pnp ngoại trừ phương pháp dùng tông trở nhập như vừa trình bày ta cũng có thể áp dụng phương pháp dùng mạch tương đương Thévénin để xác định điểm phân cực. THÍ DỤ 9.13: Áp dụng phương pháp giải tích dùng tổng trở nhập tương đương tại cực phát và cực nền định điểm làm việc cho transistor pnp trong mạch phân cực dùng cầu phân áp hình H9.49. GIẢI Đầu tiên xác định điện trở nhập tại các cực phát và nền: HÌNH H 9.49 R.R 150.1k 150 k IN DC E Điện trở tương đương giữa hai cực phát và nền khi có thêm cầu phân áp: R R 10k 9,375 k EB R 10k 1 1.R 150.1k DC E Áp cấp vào cực nền: Áp đặt vào cực phát: Dòng qua cực phát: Dòng qua cực thu: R.V k10 V 1 EE V 7, V B R R k 9,375 k 1 EB I V V V 7 0,7 7,7V E B EB V V 10 V 7,7 V EE E E R 1k E 150,3mA DC I.I,3,84768,85 ma C E DC Áp giữa các cực phát thu của transistor: EC E C C V V R.I 7,7 V,k.,85mA,673V Tóm lại điểm làm việc của transistor pnp là: I C,9mA ; V EC,67V

180 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG THÍ DỤ 9.14: Tìm lại điểm làm việc của transistor cho trong thí dụ 9.13, khi áp dụng phương pháp dùng mạch Thévénin thay tương đương cho cầu phân áp. V B V EE R VEB V EE VE R E V C V TH RTH I B VEB V B I E V EE VE V C R E GIẢI Trong hình H9.50 trình bày phương pháp thay thế cầu phân áp dùng mạch tương đương Thévénin. Điện áp Thévénin V TH được xác định theo quan hệ sau: V R.V k. 10 V 1 EE TH R R k 10k 1 6,875 V R 1 HÌNH H 9.50 R C I C R C Điện trở tương đương của mạch Thévénin được xác định theo quan hệ sau: R R.R k. 10k 6,875 k 1 TH R R k 10k 1 Áp dụng định luật Kirchhoff áp trong mắt lưới chứa các cực nền phát, ta có: Hay Suy ra: V V R.I V R.I EE TH TH B EB B B V V V R.I R.I I TH EE TH EB E E E 1 DC V V V 10 V 6,875 V 0,7 V,45 V EE TH EB E R 6,875 k 1,04553 k TH R 1k E DC Dòng qua cực thu: 150 DC I.I.,319 ma,304,3ma C E DC Điện áp giữa cực phát và thu được xác định theo quan hệ sau:,319 ma Suy ra: V V R.I R.I CE EE E E C C CE V 10 V 1k.,319mA, k.,304 ma,61,61v Tóm lại điểm làm việc của transistor pnp là: I C,3mA ;V EC,61V So sánh kết quả tìm được cho điểm làm việc của transistor trong các thí dụ 9.13 và 9.14 ta nhận thấy kết quả có sai lệch nhưng rất nhỏ, có thể chấp nhận và xem như kết quả tính từ các phương pháp trên hội tụ.

181 336 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG PHÂN CỰC CỰC NỀN (BASE BIAS): HÌNH H 9.51 Hay: Phương pháp phân cực này thường được áp dụng trong các mạch điều khiển (hay lái driver) các relay điện từ. Mạch phân cực cực nền trình bày trong hình H9.51. Phương pháp phân cực transistor hoạt động trong vùng tuyến tính được trình bày sau đây. Áp dụng định luât Kirchhoff áp cho mắt lưới chứa cực thu nền ta có quan hệ sau: V R.I V (9.43) CC B B BE Dòng qua cực nền được xác định theo quan hệ: I B V V CC BE (9.44) R Từ quan hệ (9.44) suy ra quan hệ dùng xác định dòng qua cực thu : I.I V V. CC BE C DC B DC R B B (9.45) Áp dụng định luât Kirchhoff áp cho mắt lưới chứa cực thu phát ta có quan hệ sau: V R.I V CC C C CE V V R.I (9.46) CE CC C C Từ quan hệ (9.45) cho thấy dòng I C phụ thuộc vào hệ số khuếch đại. Do đó khi DC nhiệt độ thay đổi, hệ số thay đổi làm dòng I DC C thay đổi tương ứng; như vậy điểm làm việc của transistor thay đổi, mạch phân cực không ổn định khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Hơn nữa với các transistor có cùng mã số nhưng do phương thức sản xuất của nhà chế tạo, hệ số của các transistor này cũng thay đổi trong phạm vi khá rộng làm ảnh hưởng đến mạch phân DC cực. Trong quá trình sửa chửa, với mạch phân cực cực nền khi thay thế các transistor bị hư hỏng, nên điều chỉnh lại các điện trở cho phù hợp với giá trị của transistor mới dùng thay thế. DC THÍ DỤ 9.15: HÌNH H 9.5 Xác định điểm làm việc của transistor trong mạch phân cực theo hình H9.5 khi nhiệt độ thay đổi. Biết rằng khi nhiệt độ thay đổi, nếu hệ số tăng từ 85 đến 100 thì áp V giảm từ 0,7 V đến 0,6 V. GIẢI DC BE Xác định điểm làm việc tại lúc 85 và V 0,7V: DC BE Áp dụng các quan hệ (9.45) và (9.46) ta có: V V CC BE 1 V 0,7 V I..85 9,605 ma C1 DC R 100k B V V R.I 1V ,605 ma 6,6 V CC C C CE 1

182 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Xác định điểm làm việc tại lúc 100 và DC V 0,6V: BE V V CC BE 1 V 0,6 V I ,4 ma C DC R 100k B V V R.I 1V ,4 ma 5,6 V CC C C CE Phần trăm thay đổi giá trị I C khi tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE I I C C1 11,4 9,605 I % ,69% C I 9,605 C1 Phần trăm thay đổi giá trị V khi CE tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE V V CE CE1 5,6 6,6 V % ,11% CE V 6,6 CE PHÂN CỰC CỰC PHÁT ( EMITTER BIAS): Phương pháp phân cực cực phát dùng các nguồn dương và nguồn âm để phân cực. Trong hình H9.53, nguồn áp V dùng phân cực thuận cho EE mối nối nền phát. Trong hình H9.53a trình bày điện thế của các cực E,B,C của transistor so với điểm Gnd của mạch. Trong hình H9.53b mạch điện được vẽ lại chi tiết để dễ dàng phân tích xác định điểm làm việc cho transistor. HÌNH H 9.53 Áp dụng định luật Kirchhoff áp cho mắt lưới chứa cực nền và cực phát, ta có: V V R.I R.I (9.47) EE BE B B E E Thay thế quan hệ giữa các dòng I B và I E vào (9.47) ta có: Hay R V V R.I I B EE BE E E 1 DC E V DC EE R B V 1 BE R E (9.48)

183 338 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 Dòng qua cực thu là: Suy ra: DC I.I C E 1 DC Áp dụng định luật Kirchhoff áp cho mắt lưới chứa cực thu và phát ta có quan hệ sau: V V V R.I R.I (9.49) CC EE CE C C E E V V V R.I R.I (9.50) CE CC EE C C E E R E Trong quan hệ (9.48) dòng I E phụ thuộc hệ số R B, quan hệ (9.48) được viết lại như sau: 1 DC I V V và áp V DC BE EE BE (9.51) E RE. Khi chọn giá trị Từ quan hệ (9.51) cho thấy dòng I E độc lập đối với hệ số khuếch đại Hơn nữa khi chọn giá trị I V V rất lớn hơn so với EE DC V quan hệ (9.51) được viết lại như sau: BE EE (9.5) E RE R B Tóm lại khi thực hiện đúng điều kiện R và V E 1 EE V BE, dòng I E không DC phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ, suy ra điểm làm việc ổn định khi nhiệt độ thay đổi. THÍ DỤ 9.16: Xác định điểm làm việc của transistor trong mạch phân cực theo hình H9.54 khi nhiệt độ thay đổi. Biết rằng khi nhiệt độ thay đổi, nếu hệ số tăng từ 85 đến 100 thì áp V DC BE giảm từ 0,7 V đến 0,6 V. GIẢI HÌNH H 9.54 Dòng qua cực thu là: Xác định điểm làm việc tại lúc 85 và DC Áp dụng quan hệ (9.48) xác định dòng I E : V 0,7V: BE V V 0 V 0,7 V EE BE I 1,789 1,73mA E1 R 100k B R 10k E DC DC 85 I.I.1,789 1, ,71mA C1 E DC

184 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Áp V đặt ngang qua hai cực thu phát được xác định theo quan hệ (9.50) CE V 0 V 0 V 4,7k. 1,71mA 10k. 1,73mA 14,663V CE 1 Xác định điểm làm việc tại lúc 100 và DC V 0,6V: BE V V 0 V 0,6 V EE BE I 1,765 1,765 ma E R 100k B R 10k E DC DC 100 I.I.1,765 1,7477 1,748 ma C E DC CE V 0 V 0 V 4,7k. 1,748mA 10k. 1,765mA 14,134 V Phần trăm thay đổi giá trị I C khi tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE I I C C1 1,748 1,71 I % ,% C I 1,71 C1 Phần trăm thay đổi giá trị V khi CE tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE V V CE CE1 14,134 14,663 V % ,61% CE V 14,663 CE PHÂN CỰC HỒI TIẾP CỰC PHÁT (COLLECTOR-FEEDBACK BIAS): HÌNH H 9.55 Mạch phân cực hồi tiếp cực thu trình bày trong hình H9.55, trong đó điện trở cực nền được nối đến cực thu thay vì nối về nguồn áp V CC theo một số mạch phâncực khác đã trình bày. Phương pháp hồi tiếp này tạo ra hiệu ứng chỉnh cân bằng (offsetting) để duy trì ổn định điềm làm việc Q. Khi dòng I C gia tăng sẽ tạo điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R gia tăng tươg ứng; làm điện thế tại cực thu C Khi điện thế V giảm thấp. C V giảm, dẫn đến dòng I C B giảm kéo theo I C giảm. Tóm lại dòng I C cân bằng. Quá trình lý luận ngươc lại tương tự khi dòng I C giảm. Quá trình giải tích mạch phân cực hồi tiếp cực thu thực hiện như sau: Áp dụng định luật Kirchhoff áp ta có quan hệ: CC C C B B B BE V R. I I R.I V (9.53)

185 340 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 Suy ra: Tóm lại: I Thay quan hệ: I B C DC va (9.53) ta có: I C V R.I R R. V CC C C C B BE DC R R V R.I V I C B CC C C BE DC C R C V CC V R C BE R DC B (9.54) (9.55) Hay: Áp V CE đặt ngang qua cực thu và phát được xác định theo quan hệ: CC C C B CE V R. I I V (9.56) 1 V V R. 1.I CE CC C C DC (9.57) Từ quan hệ (9.55) cho thấy dòng điện cực thu phụ thuộc vào các thông số Trong trường hợp I C C R C R C R DC B và V CC V BE và DC V. BE, dòng điện cực thu viết gần đúng theo dạng sau: VCC điều này cho thấy dòng I R C trong điều kiện này không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Tóm lại nếu mạch phân cực hồi tiếp cực thu thỏa các điều kiện vừa nêu thi điểm làm việc Q ổn định khi nhiệt độ thay đổi. THÍ DỤ 9.17: Xác định điểm làm việc của transistor trong mạch phân cực theo hình H9.56 khi nhiệt độ thay đổi. Biết rằng khi nhiệt độ thay đổi, nếu hệ số tăng từ 100 đến 15 thì áp V DC BE giảm từ 0,7 V đến 0,6 V. GIẢI Xác định điểm làm việc tại lúc Áp dụng quan hệ (9.55) ta có: 100 và DC V 0,7V: BE HÌNH H 9.56 I R R C1 V V CC BE 10 V 0,7V 0,769 ma 10k100k 10k C B R C 100 DC

186 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Áp V đặt ngang qua cực thu và phát được xác định theo quan hệ: CE 1 1 V V R. 1.I 10V CE1 CC C C 10 k. 1.0,769 ma,33v 100 DC Xác định điểm làm việc tại lúc I R R C 15 và DC V 0,6V: BE V V CC BE 10 V 0,6V 0,864 ma 10k100k 10k C B R C 15 DC 1 1 V V R. 1.I 10V CE CC C C 10 k. 1.0,864 ma 1,9V 15 DC Phần trăm thay đổi giá trị I C khi tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE I I C C1 0,864 0,769 I % ,35% C I 0,769 C1 Phần trăm thay đổi giá trị V khi CE tăng và DC V giảm do nhiệt độ thay đổi: BE V V CE CE1 1,9,33 V % ,3% CE V,33 CE1

187 34 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 BÀI TẬP CHƯƠNG 9 BÀI TẬP 9.1 Trong hình H9.57, cho dòng điện I B 50 A và áp đặt ngang qua hai đầu điện trở R là 5V. Xác C định hệ số và hệ số DC. DC HÌNH H 9.57 ĐÁP SỐ: 100 ; DC 0,99 DC BÀI TẬP 9. Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.58. Xác định : a./ Các dòng điện I C ; I B và I E. b. / Hệ số khuếch đại ĐÁP SỐ: a./ I C 34,04mA b./ 48,49 DC ; I B DC 70 A ; I E 34,74mA HÌNH H 9.58 BÀI TẬP 9.3 Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.59. Xác định : a./ Các điện áp V ; V và V. CE BE CB b./ Transistor hoạt động trong vùng tuyến tính hay trong vùng bảo hòa. ĐÁP SỐ: a./ I B 1,1mA; I C V 5,1V; CE 55,13mA. V 4,38V. CB HÌNH H 9.59 BÀI TẬP 9.4 Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.60. Xác định : a./ Các điện áp V ; V và V. EC EB BC b./ Transistor hoạt động trong vùng tuyến tính hay trong vùng bảo hòa. ĐÁP SỐ: a./ I B 85,19 A; I C V 3,85V; EC 10,65mA. V 3,15V. BC HÌNH H 9.60

188 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG BÀI TẬP 9.5 Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.61. Xác định các dòng điện I ; I và I C B E, biết 0,98. DC ĐÁP SỐ: IE 1,3mA ; I C 1,74 ma ; I B 6 A BÀI TẬP 9.6 Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.6, cho 100.Xác định : DC a./ Các dòng điện I C ; I B và I E. b./ Các điện áp V ; CE V và BE V. CB c./ Khi nhiệt độ gia tăng, nếu hệ số đến 150 và ĐÁP SỐ: a./ I E 930 A ; I B b./ V 10,7V; CE V thay đổi từ 0,7V đến 0,6 V tìm BE VCB HÌNH H 9.61 thay đổi từ 100 DC I C. 9,1 A; I C 91 A 10V c./ HÌNH H 9.6 I I I 13 A C C 150 C 100 BÀI TẬP 9.7 Cho mạch phân cực transistor trong hình H9.63, cho 100. Xác định : DC a./ Các dòng điện I C ; I B và I E. b./ Các điện áp V ; EC V và EB V. BC c./ Nếu hệ số thay đổi từ 100 đến 150 khi nhiệt độ gia DC tăng, tìm sự thay đổi của dòng I C. HÌNH H 9.63 ĐÁP SỐ: a./ I E b./ 1,5mA ; I B V 8,7V; EC VBC 14,85 A; I C 8V 1,485 ma BÀI TẬP 9.8 Cho mạch transistor trong hình H9.64. a./ Xác định các giao điểm của đường tải DC với hệ trục tọa độ của đặc tuyến cực thu. b./ Xác định điểm làm việc của transistor, biết hệ số khuếch đại 50. DC c./ Nếu muốn phân cực lại transistor với dòng I 0 A, ta cần chỉnh nguồn áp V có giá trị B BB bao nhiêu? Tính lại điểm làm việc. HÌNH H 9.64

189 344 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 BÀI TẬP 9.9 Cho mạch transistor trong hình H9.65, xác định: a./ Các giao điểm của đường tải DC với hệ trục tọa độ của đặc tuyến cực thu. b./ Điểm làm việc của transistor. ĐÁP SỐ: a./ I CSAT b./ I C 0,5mA; 6mA; VCE SAT V 5,66V CE 8V. HÌNH H 9.65 BÀI TẬP 9.10 Cho mạch transistor phân cực dùng cầu phân áp theo hình H9.66. a./ Khi áp dụng phương pháp giải tích mạch dùng điện trở nhận tương đương giữa cực nền và cực phát, nếu muốn R 10.R thì hệ số khuếch đại của transistor là bao nhiêu? DC b./ Với mạch hiện có trong hình H9.66, khi thay điện trở biến trở VR 15k, xác định giá trị cực tiểu của transistor bảo hòa. INbase R bằng VR làm HÌNH H 9.66 BÀI TẬP 9.11 c./ Theo điều kiện của câu b, khi chỉnh biến trở VR có giá trị là kω; áp dụng các phương pháp phân tích mạch dùng tổng trở nhập và phương pháp thay thế tương đương Thévénin để định điểm làm việc của transistor. Cho mạch transistor phân cực dùng cầu phân áp theo hình H9.67, khi áp dụng phương pháp giải tích dùng mạch tương đương Thévénin để định điểm làm việc, xác định: a./ Áp V và điện trở tương đương R. TH TH b./ Điểm làm việc của transistor. ĐÁP SỐ: a./ b./ I C V,18V; TH 1,33mA; R 11,37k. TH V 4,74V CE HÌNH H 9.68 BÀI TẬP 9.1 HÌNH H 9.67 Cho mạch transistor phân cực dùng cầu phân áp theo hình H9.68, khi áp dụng phương pháp giải tích dùng mạch tương đương Thévénin để định điểm làm việc, xác định: a./ Áp V điện áp giữa cực nền xuống điểm Gnd chung của mạch. B b./ Điểm làm việc của transistor. c./ Công suất tiêu tán trên transistor. d./ Nếu tăng giá trị điện trở R gấp lần giá trị hiện có, định lại điểm làm việc của transistor. ĐÁP SỐ: a./ c./ V 10,41V b./ I B C PD E 13mW d./ I C 1,56mA; 841 A ; V 8,3V EC V 9,53V EC

190 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG BÀI TẬP 9.13 HÌNH H 9.69 Cho mạch transistor phân cực cực nền theo hình H9.69, biết hệ số khuếch đại của transistor là 110 tại nhiệt độ 5 o C. DC a./ Tính dòng I B, I C và áp V tại môi trường nhiệt độ 5 o C. CE b./ Mạch transistor trên được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thay đổi từ 0 o C đến 70 o C. Biết hệ số khuếch đại khuếch đại giảm 50% tại 0 o C và tăng lên 75% tại 70 o C. Giả sử áp V BE không thay đổi theo nhiệt độ, khảo sát sự thay đổi dòng I C và áp V CE trong phạm vi nhiệt độ thay đổi từ 0 o C đến 70 o C. ĐÁP SỐ: a./ I B 553,3 A ; I C b./ Tại 0 o C : I C Tại 70 o C : I C 60,87mA; 30,43mA; 106,5 ma ; VCE VCE 5,957 V V 1,65V CE,913 V DC HÌNH H 9.70 BÀI TẬP 9.14 Cho mạch transistor phân cực cực phát theo hình H9.70, biết hệ số khuếch đại của transistor là 100. DC a./ Tính điện thế tại các cực transistor so với điểm Gnd của mạch. b./ Giả sử giá trị V 0,7V cho trong đầu đề ở tại 5 o C, khi nhiệt BE độ tăng lên 100 o C giá trị V giảm theo hệ số : BE o,5 mv / C. Nếu hệ số xem như không ảnh hưởng bởi sự thay đổi của nhiệt độ, xác DC định sự thay đổi dòng I E. c./ Khi nào có thể bỏ qua ảnh hưởng sự thay đổi theo nhiệt độ DC trong mạch phân cực cực phát. ĐÁP SỐ: a./ I B 17,6 A ; I C 1,761mA ; I E 1,779 ma ; 0,387 V ; V 1,087 V ; V 3,4V V 4,37V ; CE VB E C BÀI TẬP 9.15 Cho mạch transistor phân cực cực phát theo hình H9.71, biết hệ số khuếch đại của transistor là 100. DC a./ Tính điện thế tại các cực transistor so với điểm Gnd của mạch. b./ Tính công suất tiêu tán trên transistor theo điều kiện của câu a. HÌNH H 9.71 ĐÁP SỐ: a./ I B VCE b./ 149,6 A ; I C 16,455 ma ; I E 16,605 ma ; 6,766 V ; 1,496 V ; V,196 V ; V 4,57V PD VB 111,33mW E C

191 346 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 9 BÀI TẬP 9.16 Cho mạch transistor phân cực cực nền có hồi tiếp theo hình H9.7, xác định: a./ Điểm làm việc của transistor. b./ Điện thế tại các cực transistor so với điểm Gnd của mạch c./ Tìm giá trị R để giảm dòng I C C thấp xuông 5%. d./ Công suất tiêu tán trên transistor tính theo câu a và c. ĐÁP SỐ: a./ I B 11,7 A; I C b./ V 0,7V; V B E c./ R 51 d./ C PD 1,14mW ; 1,05 ma ; V 0V; V PD C CE 1,086 V 0,78mW 1,086 V ; HÌNH H 9.7

192 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 CHƯƠNG OPAMP CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 10.1.TỔNG QUAN VỀ OPAMP: VỊ TRÍ OPAMP TRONG THẾ GIỚI NGÀY NAY: Năm 1934, Harry Black thường xuyên dùng xe lửa làm phương tiện di chuyển từ nhà tại thành phố Newyork đến làm việc ở phòng thí nghiệm thuộc công ty Bell - New Jersey. Trong thời gian ngồi trên xe lửa, Harry đã suy nghỉ các vấn đề cần phải giải quyết liên quan đến đường dây dài điện thoại. Tín hiệu truyền trên các đường dây này cần phải được khuếch đại và các bộ khuếch đại không tin cậy sẽ giới hạn khả năng hoạt động của đường dây điện thoại. Đầu tiên, độ lợi khuếch đại rất thấp và vấn đề này được xử lý nhanh bằng các phương pháp hiệu chỉnh. Kế tiếp, ngay khi các bộ khuếch đại được hiệu chỉnh chính xác trong quá trình sản xuất, độ lợi vẫn trôi rất nhiều trong quá trình hoạt động; biên độ âm thanh rất nhỏ hay tiếng nói bị sái dạng. Có rất nhiều cải tiến hoàn thiện và ổn định bộ khuếch đại, nhưng do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và điện áp của bộ nguồn cung cấp tác động rất lớn đến đường dây điện thoại, đưa đến hiện tượng trôi không kiểm soát được độ lợi khuếch đại. Các phần tử thụ động có đặc tính làm trôi độ lợi nhiều hơn so với các các phần tử tác động. Đây là bài toán cần phải giải quyết. Chính Harry đã tìm được giải pháp về vấn đề này trong khoảng thời gian ngồi trên xe lửa, trên tuyến đường từ nhà đến văn phòng làm việc. Giải nghiệm đầu tiên là tạo ra các bộ khuếch đại có độ lợi lớn hơn giá trị yêu cầu. Một phần các tín hiệu ra được hồi tiếp về ngõ vào, để độ lợi của mạch phụ thuộc vào các phần tử thụ động hồi tiếp hơn là phần tử tác động của bộ khuếch đại (mạch khuếch đại có các phần tử hồi tiếp). Mạch điện này được gọi là hồi tiếp âm, đây chính là nguyên lý hoạt động nền tảng của tất cả các op amps hiện đại ngày nay. Tại thời điểm này, các mạch hồi tiếp được tạo ra đầu tiên này nhưng các nhà thiết kế không để ý đến hiệu quả của nó. Thời gian trôi qua đã chứng minh các suy nghĩ của Harry là đúng, nhưng vấn đề mà Harry không giải thích được là hiện tượng dao động. Một mạch khuếch đại được thiết kế với độ lợi vòng hở rất lớn đôi khi dao động khi hoạt động trong điều kiện vòng kín. Nhiều người đã nghiên cứu tìm tòi hiện tượng bất ổn và hiểu thấu đáo vấn đề này vào năm Nhưng việc giải quyết vấn đề ổn định cần nhiều thời gian để tính toán các bài tóan phức tạp, nhiều năm trôi qua con người chưa tạo được giải nghiệm đơn giản dễ hiểu. Năm 1945 H.W.Bode biểu diễn một hệ thống giải tích sự ổn định của hệ thống hồi tiếp bằng phương pháp đồ thị. Cho đến nay, giải tích hồi tiếp được thực hiện bằng các phép tính nhân, chia, tính toán trên hàm chuyển (transfer functions hay hàm truyền) là công việc cần nhiều thời gian và sự cố gắng. Chúng ta nên nhớ trong giai đoạn này cho đến năm 1970, các kỹ sư không tính toán trên các máy tính. Giản đồ Bode được biểu diễn bằng logarit, được chuyển sang phương pháp toán học mạnh mẻ hơn để tính toán sự ổn định của hệ thống hồi tiếp bằng phương pháp giải tích đồ thị đơn giản và dễ hiểu hơn. Việc thiết kế hệ thống hồi tiếp vẫn còn phức tạp, nhưng sau đó không lâu một số các kỹ sư điện đề nghị phương pháp dùng đến hộp đen. Bất kỳ một kỹ sư điện nào cũng có thể dùng phương pháp Bode xác định tính ổn định cho một mạch hồi tiếp, từ đó các áp dụng hồi tiếp cho máy móc thiết bị được phát triển. Việc thiết kế hệ thống hồi tiếp bằng mạch điện tử thực sự không cần đến nhiều tại thời điểm này, cho đến thời đại của máy tính và các bộ chuyển đổi ra đời các hệ thồng hồi tiếp mới được sử dụng nhiều hơn.. Các máy tính đầu tiên ở dạng máy tính tương đồng (analog computer), hay máy tính tương tự. Các máy tính này sử dụng các phương trình được lập trình trước và các dữ liệu nhập để tính toán và điều khiển các tác động. Sự lập trình được kết nối với một chuổi các mạch nối tiếp để thực thi các phép tính trên các dữ liệu; cuối cùng chính sự kết nối này làm giãm tính thông dụng của máy tính tương dồng.

193 348 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 Thành phần chính của máy tính tương đồng là các linh kiện được gọi là khuếch đại thuật toán (operational amplifier) vì cấu hình của nó dùng thực thi các phép tính: cộng, trừ, nhân, chia dữ liệu của các tín hiệu ngõ vào. Tên gọi tắt của các linh kiện khuếch đại thuật toán là Op Amp. Op Amp được dùng để khuếch đại với độ lợi khuếch đại vòng hở giá trị lớn, và khi khuếch đại vòng kín, bộ khuếch đại tạo thành các phép tính toán học được ghi nhận bởi các phần tử thụ động bên ngoài. Các bộ khuếch đại này đầu tiên có kích thước rất lớn vì được tạo thành từ các đèn điện tử chân không và cần điện áp nguồn cung cấp có giá trị cao dẫn đến giá thành cao khi sử dụng trong lãnh vực thương mại. Ngày nay, các máy tính tương đồng có mục tiêu tổng quát được tìm thấy trong các trường đại học và trong các phòng thí nghiệm lớn với mục tiêu nghiên cứu các hoạt động. Cần thực hiện hoạt động song song tín hiệu của các bộ chuyển đổi trong các thí nghiệm và Op Amps tìm ra các phương thức ứng dụng các tín hiệu này. Khi những áp dụng các tín hiệu được mở rộng, yêu cầu sử dụng Op Amps phát triển, dẫn đến sự cần thiết về máy tính tương đồng: Op Amp tiếp tục tồn tại vì tính quan trọng của các áp dụng analog đa năng. Ngay khi máy tính số thay thế máy tính tương tự (khi cần đo lường theo thời gian thực) các yêu cầu về Op Amps vẫn gia tăng vì các áp dụng đo lường vẫn còn có nhu cầu. Các tín hiệu tác động đầu tiên được tạo thành bằng các đèn chân không rồi tiếp đến là do các transistor.trong suốt khoảng thời gian của thập niên 1950, các đèn chân không có kích thước nhỏ hơn hoạt động với điện áp nguồn thấp hơn được các nhà sản xuất thu gọn kích thước và đưa vào các thiết bị dân dụng, một module Op Amps lúc bấy giờ có tên riêng là brick. Kích thước của các đèn chân không và các linh kiện được giảm dần cho đến khi một Op Amps được thu nhỏ kích thước chỉ còn bằng kích thước của một đèn octal chân không (đèn 8 cực chân không). Khi cáctransistor được đưa vào lãnh vực thương mại ở thập niên 1960, kích thước của Op Amps thu gọn đến vài inches 3 (1 inch 3 16,4 cm 3 ) và vẫn còn được gọi là brick. Tên gọi brick được gọi cho bất kỳ module điện tử nào sử dụng phương pháp kết khối dùng phương pháp hổn hợp, không dùng phương pháp tạo khối dùng mạch tích hợp IC (intergrated circuit). Hầu hết các Op Amps đầu tiên được chế tạo với các ứng dụng riêng, không có mục tiêu chung tổng quát. Các IC được trang bị vào những năm cuối của thập niên 1950 và đầu thập niên 1960, nhưng cho đến giữa thập niên 1960 nhà sản xuất Fairchild cho ra linh kiện Op Amp đầu tiên là µa709 do Robert J.Widler thiết kế để dùng trong lãnh vực thương mại. Bất lợi chính của linh kiện µa709 là vấn đề ổn định, linh kiện cần bồi hoàn (bù) từ mạch ngoài. Tiếp theo là linh kiện µa741 là Op Amps có bồi hoàn bên trong, không dùng mạch ngoài, hoạt động theo tính năng trình bày trong tài liệu kỹ thuật (data sheet). Tuy nhiên µa741 không được chấp nhận sử dụng nhiều hơn so với µa709. Tiếp sau đó các phiên bản khác của Op Amps được thiết kế liên tục với các đặc tính và độ tin cây được cải thiện không ngừng. Các Op Amp ngày nay có thể hoạt động ổn định trong dảy tần số (frequency spectrum) từ 5 khz đến 1 GHz. Dảy điện áp nguồn cung cấp đảm bảo cho các hoạt động từ 0,9 V đến 1000 V. Op Amps thật sự trở thành một IC analog đa năng cho các họat động dưới dạng analog. Op Amps có thể hoạt động như bộ driver,bộ so sánh (comparator), bộ khuếch đại (amplifier), bộ dời mức (level shifter), bộ dao động (oscilator), bộ lọc (filter), bộ tạo tín hiệu điều khiển, actuatordriver, nguồn dòng (current source), nguồn áp (voltage source) và các áp dụng khác... Vấn đề thường được đặt ra cho người thiết kế là: bằng cách nào giải quyết nhanh chọn ra các mạch hiệu chỉnh dùng tổ hợp từ các Op Amps, và bằng cách nào tính nhanh các thông số cho các phần tử thụ động cần thiết trong các mạch dùng làm hàm chuyển (hàm truyền). Quá trình này được giải quyết bằng nhiều môn học: Mạch Điện Tử, Điều Khiển Tự Động... Với phần trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của linh kiện Op Amps, chúng ta có được tầm nhìn khái quát và hiểu được các phạm vi áp dụng cũng như công dụng của linh kiện Op Amps.

194 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MÔ HÌNH CỦA OP AMPS: MÔ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI: Bộ khuếch đại là linh kiện có tính năng làm tăng biên độ của các tín hiệu. Thành phần chính trong bộ khuếch đại là nguồn áp phụ thuộc điện áp ngõ vào. Mô hình đơn giản của bộ khuếch đại điện áp trình bày trong hình H Từ mô hình này, chúng ta rút ra các nhận xét như sau: H.10.1 Khi ngõ ra hở mạch, điện áp trên ngõ ra được xác định theo quan hệ: v K.v1 (10.1) Trong đó, K là hệ số nhân; được gọi là Độ Lợi mạch hở (Open circuit Gain). Điện trở R i và R o lần lượt được gọi là: Điện trở ngõ vào và Điện Trở ngõ ra của bộ khuếch đại. Với yêu cầu hoạt động tốt nhất cho bộ khhuếch đại, giá trị R i rất lớn và giá tri của R o rất bé. Trong các bộ khuếch đại lý tưởng, R i = và R o = 0. H.10. Mạch tương đương của bộ Khuếch đại lý tưởng được trình bày trong hình H.10.. THÍ DỤ 10.1 Cho mạch khuếch đại như trong hình H Xác định v độ lợi A v theo hai trường hợp : Vs a./ Ngõ ra bộ khuếch đại hở mạch. b./ Tải trên ngõ ra bộ khuếch đại là điện trở R T. GIẢI H.10.3 a./ Trường hợp bộ khuếch đại hở mạch ngõ ra: Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau: Ri v1 vs Ri Rs Suy ra: K.Ri v K.v1 vs Ri Rs Độ lợi điện áp A v xác định theo quan hệ: (10.) (10.3) Av v K.R i vs Ri Rs (10.4) Từ quan hệ (1.4) cho thấy. Độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp mạch hở giảm thấp và phụ thuộc vào giá trị nội trở Rs cuả Nguồn áp cấp đến ngõ vào bộ khuếch đại. Giá trị R s càng thấp thì giá trị A v càng lớn.

195 350 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 b./ Trường hợp tải R T lắp trên ngõ ra bộ khuếch đại: Áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ vào, ta có quan hệ sau: Ri v1 vs Ri Rs (10.5) H.10.4 RT v Kv1 RT Ro Từ (1.5) và (1.6) suy ra quan hệ sau: Tương tự, áp dụng cầu phân áp trên mạch ngõ ra, ta có quan hệ sau: (10.6) AV v Ri RT vs Ri Rs RT Ro (10.7) Tóm lại, theo quan hệ (1.7) cho thấy độ lợi điện áp phụ thuộc giá trị Điện trở Tải R T MÔ HÌNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI LÝ TƯỞNG CÓ HỒI TIẾP: Với bộ khuếch đại lý tưởng có mạch tương đương trình bày trong hình H.10. cấp nguồn áp v s trên ngõ vào bộ khuếch đại; ngõ ra được nối vào điện trở tải R T ; điện trở hồi tiếp R f, nối hai điểm A từ một đầu ngõ vào đến điểm B trên một đầu ngõ ra, xem hình H.1.5. Bây giờ chúng ta khảo sát độ lợi điện áp của mạch khuếch đại có hồi tiếp. Áp dụng phương pháp giải mạch dùng phương trình điện thế nút tại A, ta có: H.10.5 Hay: Tại B ta có: v1 vs v1 v 0 Rs Rf (10.8) 1 1 v v v s 1 Rs Rf Rf Rs (10.9) v K.v1 (10.10) Từ (10.9) và (10.10) suy ra: Tóm lại: v 1 1 K vs K Rs Rf Rf Rs A V v K 1 K RsRf v R 1 1 K R R K1R Rs Rf Rf s s s f s

196 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Thu gọn ta có: Đặt: Tóm lại: A V v KR f v R K1 R B Rs R s R f A V s f s s v 1 B.K v 1 B.K (10.11) (10.1) (10.13) Điều cần chú ý khi K có giá trị rất lớn, về mặt toán học xem như giá trị K +; trong trường hợp này giá trị của độ lợi điện áp A v tiến đến giá trị sau: V K K 1 B.K B 1 1 lim A lim 1 1 B.K B B MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MỘT OPAMP: (10.14) Theo Tài liệu Kỹ Thuật của nhà sản xuất National Semiconductor sơ đồ nguyên lý của mạch điện bên trong, cấu thành IC Op Amp LM 741 được trình bày trong hình H Chúng ta có thể hiểu một cách đơn giản: Op Amps là linh kiện được tạo thành bằng sự tổ hợp từ nhiều phần tử tích cực (transistor) với các phần tử thụ động khác theo một qui luật riêng được qui định do nhà sản xuất. Qui luật riêng chính là mạch điện được trình bày trong sơ đồ nguyên lý Hình dạng thực của linh kiện Op Amp LM741 được trinh bày trong hình H.10.7, kích thước thực sự của IC 8 chân trình bày trong hình H H.10.6: Sơ đồ nguyên lý (Schematic Diagram) mô tả cấu trúc bên trong Op Amp LM 741

197 35 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 H Đế chân IC ( 8 DIP Socket) IC Opamp có 8 chân ra H.10.8: Chức năng các chân ra IC LM741 Với IC Op Amp LM741 với kiểu vỏ 8 DIP 300 các chân ra được đánh số thứ tự từ 1 đến 8 và xếp tuần tự theo thứ tự tứ 1 đến 8 theo chiếu dương lượng giác. Vị trí chân 1 qui định xếp trên cùng của hàng chân phía trái khi nhìn xuống từ phía trên thân của IC. Vị trí chân 1 còn được qui định theo vị trí dấu chấm ở phía đầu trên thân IC (xem hình H.10.7). Mỗi chân ra IC được mang tên theo chức năng, xem hình H Ký hiệu biểu diễn cho IC Opamp trình bày trong H Năm 1968, nhà sản xuất Fairchild Semiconductor đã sản xuất opamp A741 với các ứng dụng rộng rãi tổng quát trong các lãnh vực thương mại. Linh kiện có kiểu vỏ MINIDIP và có 8 chân ra. DIP là danh từ viết tắt từ thuật ngữ Dual In line Packages, có nghĩa là tất cả các đầu ra của linh kiện trên mỗi phía được bố trí trên đường thẳng (các đầu ra tại một phía thẳng hàng với nhau). H10.9 Khi khảo sát Opamp, cần quan tâm đến các đầu ra sau đây : Đầu cấp nguồn điện DC để Opamp họat động: đầu Vcc+ và đầu Vcc-. Ngõ vào không đảo (noninverting input). Ngõ vào đảo (inverting input). Ngõ ra (output). Thông thường có thể đánh dấu các đầu cung cấp nguồn điện để Opamp họat động bằng ký hiệu V+ (hay V cc+ ) ; V- (hay V cc- ). Trên ngõ vào của khối Opamp, tín hiệu vào cấp tại ví trí có đánh dấu + là ngõ vào không đảo; ngược lại tín hiệu cấp vào tại vị trí có đánh dấu ứng với ngõ vào đảo.

198 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN TRÊN CÁC ĐẦU CỦA OP AMP: Khi khảo sát điện áp trên các đầu của Opamp, chúng ta cần chọn một nút làm nút điện thế chuẩn (0V). Trong trường hợp này nút chuẩn được chọn là giao điểm của một cực dương và một cực âm của hai nguồn DC có điện áp Vcc tạo thành nguồn kép cung cấp vào hai đầu V+ và V- của opamp, xem hình H Các tín hiệu điện áp cấp tại các ngõ vào đảo và không đảo của opamp cũng đấu chung một đầu về nút chuẩn. Các quan hệ điện áp trên ngõ ra với điện áp cấp đến các ngõ vào được xây dựng như sau: Với: v A.(v V ) (10.15) o in in Vcc vo Vcc (10.16) Quan hệ (10.15) xác định điện áp ngõ ra theo độ chêch lệch điện áp giữa các ngõ vào của v v v. Quan hệ (10.16) xác opamp in in in định giới hạn của giá trị điện áp ngõ ra. A là hệ số khuếch đại điện áp vòng hở. V cc A V cc A v in Một cách tổng quát, khi cung cấp nguồn điện kép có giá trị V cc cho Op Amp, điện áp ngõ ra v o thỏa tính chất sau: Opamp họat động theo chế độ khuếch đại tuyến tính khi vo Vcc. H.10.11: Đặc tính chuyển điện áp của Op Amp Khi giá trị v o nằm ngòai khỏang giá trị cho trong quan hệ (10.16), Opamp họat động theo chế độ bảo hòa. Tại trạng thái này điện áp ngõ ra v o = +Vcc (bảo hòa dương) hay v o = Vcc (bảo hòa âm) và độc lập đối với giá trị v v v. in in in Đặc tính làm việc của Opamp mô tả quan hệ giữa áp ngõ ra v o theo v v v in in theo hình H Đặc tính làm việc còn được gọi là đặc tính chuyển điện áp (Voltage Transfer characteristic). Chúng ta cần chú ý tính chất sau, giả sử Opamp có hệ số khuếch đại điện áp vòng hở là A = =10 4, nếu cấp điện áp nguồn cho Opamp có giá trị V cc = 0 V (giá trị tối đa cho phép trên một số Opamp) thì giá trị tương ứng của v v định như sau: Vcc 0V vin mv A in in in in v được xác Với kết quả này chúng ta thấy được vùng khuếch đại tuyến tính mở rộng trong phạm vi v in từ - mv đến +mv. Lúc này xem như V in+ V in-. vin vin vin 0 Vin Vin (10.17) Với kết quả tìm được, cho thấy điều kiện thật sự tại các ngõ vào opamp.

199 354 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 Vấn đề đặt ra là : làm thế nào duy trì được điều kiện trên tại các ngõ vào opamp trong khi mạch điện đang họat động. Câu trả lời cho vấn đề này là: dùng tín hiệu ngõ ra hồi tiếp trở về ngõ vào đảo của opamp, quá trình phản hồi tín hiệu theo mô tả trên được gọi là hồi tiếp âm; tín hiệu nhận được trên ngõ ra sẽ đưa về và trừ với tín hiệu trên ngõ vào không đảo. Bây giờ chúng ta xét đến các thành phần dòng điện trên các đầu của opamp, xem hình H Áp dụng định luật Kirchhoff 1 ta có kết quả sau: H.10.1: i in+ + i in- + i c+ + i c- + i o = 0 (10.18) Với giả thiết ràng buộc các dòng điện trên các ngõ vào Opamp rất nhỏ so với dòng điện trên các đầu khác còn lại trên Opamp, chúng ta có mô hình Opamp lý tưởng với dòng điện trên các ngõ vào triệt tiêu, i in+ = i in- 0.Với giả thiết này cho thấy tổng trở nhập của opamp có giá trị rất lớn. Dảy giá trị của tổng trở nhập từ vài trăm K đến vài ngàn M. Quan hệ i in+ = i in- 0 luôn được áp dụng để giải tích các mạch sử dụng opamp. Từ giả thiết trên,quan hệ (10.18) được viết lại như sau: i i i o c c (10.19) Tóm lại, khi bỏ qua ảnh hưởng các dòng điện trên ngõ vào opamp; dòng điện trên ngõ ra của opamp luôn bằng tổng giá trị các dòng điện từ các nguồn cung cấp vào opamp MÔ HÌNH TOÁN HAY MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA OP AMP: MÔ HÌNH TÓAN CỦA OPAMP KHI HỌAT ĐỘNG TRONG VÙNG KHUẾCH ĐẠI: Trong phần này chúng ta trình bày mạch tương đương của opamp thực tế khi hoạt động trong vùng khuếch đại tuyến tính. + Vin+ - iin + + Vin Ri NGOÕ VAØO + - Ro A.(vin+ -vin-) + - NGOÕ RA KYÙ HIEÄU CUÛA OPAMP H.10.13: Mô Hình Toán ( hay mạch tương đương) của IC Op Amp. iinio + Vo - R i = M ; A = 10 5 ; R 0 = 75. Đây là mô hình tóan học mô tả cấu trúc Op Amp gần giống thực tế, được sử dụng trong một số các phần mềm dùng mô phỏng, hình H Để đơn giản cho quá trình khảo sát đề nghị gọi tên cho mô hình này là mô hình toán dạng chính xác.trong mô hình này, ta có: R i : tổng trở nhập Opamp. A: độ khuếch đại điện áp vòng hở. R o : tổng trở ngõ ra Opamp Trên mạch tương đương chúng ta còn có nguồn áp phụ thuộc giá trị v in vin vin của điện áp trên các ngõ vào và độ khuếch đại điện áp vòng hở A. Với IC Opamp LM741, giá trị của các phần tử trong mạch tương đương để tham khảo được tóm tắt như sau:

200 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MÔ HÌNH TÓAN CỦA OPAMPLÝ TƯỞNG: + Vin+ - iin + + Vin- - + R i NGOÕ VAØO RO = 0 A.(vin+ -vin-) + - NGOÕ RA KYÙ HIEÄU CUÛA OPAMP H.10.14: Mô hìnhtoán (hay mạch tương đương) của Op Amp lý tưởng. iinio + Vo - Trong hình H trình bày mô hình mạch tương đương của Opamp lý tưởng thỏa các giả thiết được đặt ra như sau: R i = A = R o = 0 Với các thông số trên thoả mãn các điều kiện sau: vin v v 0 in in (10.0) i in+ = i in- = 0 (10.1) 10.. CÁC MẠCH ỨNG DỤNG DÙNG OP-AMP : MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÓ HỒI TIẾP : MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO KHÔNG ĐẢO (NON-INVERTING OPAMP): AV Vo Vin Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào không đảo trình bày trong hình H Trong đó: R F : điện trở hồi tiếp. R G : điện trở nối đến nút điện thế chuẩn (OV) từ ngõ vào đảo. Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp. Gọi A v là độ lợi (hay độ khuếch đại) điện áp của mạch khuếch đại Opamp. Ta có định nghĩa tổng quát như sau: (10.) Gọi V b là điện thế tại b so với nút chuẩn, áp dụng phương trình điện thế nút tại b cho ta quan hệ như sau: Vb Vb Vo RG RF (10.3) iin 0 Áp dụng các giả thiết Opamp lý tưởng ta có: iin 0 (10.4) Vin Va Vb Vin Vb 0 (10.5) Từ các quan hệ (10.4) và (10.5), suy ra quan hệ: Vin RG Vin V o 0 RF

201 356 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 Tóm lại: Hay: 1 1 V V o in RG RF RF Vo RF AV 1 Vin RG (10.6) CHÚ Ý: Từ quan hệ (10.6) chúng ta rút ra các nhận xét như sau: H Khi Opamp được cung cấp bằng nguồn kép, đặc tính chuyển điện áp của Opamp có dạng như trong hình H Nếu điện áp ngõ vào V in = K (hằng số), nói khác đi V in là điện áp một chiều độc lập đối với biến thời gian. Theo (10.6) điện áp nhận trên ngõ ra cũng là điện áp một chiều có giá trị là V o = K.A V và giá trị V o phải nằm trong phạm vi giới hạn sau đây: V cc V o +V cc Trong hình H.10.6 trình bày mạch khuếch đại đầu vào không đảo dùng Opamp mang mã số LM34, được cung cấp bằng nguồn kép 1V DC (tạo bởi các nguồn V 1 và V ). Khi nguồn áp V 3 (trên ngõ vào) thay đổi giá trị từ -1V đến +1V, điện áp V o trên ngõ ra thay đổi tương ứng. Đặc tính chuyển mô tả quan hệ giữa V o theo V in trình bày trong hình H H.10.17: Đặc tính chuyển DC của Opamp LM34 mô tả quan hệ giữa V o khi thay đổi V in

202 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG Cần chú ý, với mạch khuếch đại trong hình H.10.16, hệ số A v =. Dựa vào Đặc Tuyến chuyển của Opamp LM34 trong hình H ta suy ra được phạm vi của giá trị V in để mạch khuếch đại tuyến tính là : -6,5V Vin 5,5V. Kết quả nhận trên ngõ ra tương ứng là -1,5V Vo 10,5V. Mức ngưỡng bảo hoà dương và mức ngưỡng bảo hoà âm của Opamp LM34 có giá trị khác nhau. Bây giờ, nếu tín hiệu V in được cấp đến ngõ vào mạch khuếch đại là tín hiệu biến thiên theo thời gian, giả sử có dạng Vin sin100 t V ; điện áp trên ngõ ra của mạch khuếch đại được trình bày trong hình H Hệ số khuếch đại của mạch trong trường hợp này vẫn là A V = và điện áp sin trên ngõ ra và ngõ vào đồng pha với nhau. Điều này có thể hiểu dễ dàng vì giá trị A v > 0. Trong hình H.10.18, khi biên độ điện áp ngõ vào rất lớn V 6 sin100 tv điện in áp trên ngõ ra bị sai dạng vì biên độ điện áp ngõ ra bị giới hạn bởi mức ngưỡng bảo hòa đương và âm. Bây giờ, điện áp ngõ ra không còn dạng sin mà có dạng hình thang; biên độ của Vo đạt gía trị +10,5 V (biên độ dương) và -1,5V (biên độ âm). Kết quả này có thể đóan nhận được dựa vào đặc tuyến hình H Điều quan trọng cần chú ý ngưỡng bảo hòa dương và bảo hòa âm của đặc tính chuyển điện áp, khi áp dụng trên mạch khuếch đại Opamp thực tế. Các mức ngưỡng này còn phụ thuộc vào đặc tính của từng Opamp, thay đổi mã số của Opamp các mức ngưỡng này có thể thay đổi. Chúng ta có thể khảo sát và dự đoán kết quả bằng các phần mềm mô phỏng như Spice (Orcad) hay NI multisim... H.10.18: Dạng điện áp Vo trên ngõ ra và Vin trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H

203 358 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẦU VÀO ĐẢO (INVERTING OPAMP): Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đầu vào đảo trình bày trong hình H Trong đó: Suy ra: H.10.19: Dạng trên ngõ vào mạch khuếch đại hình H và điện áp V o trên ngõ ra V in ; lúc biên độ V o đạt trạng thái bảo hòa dương và bảo hòa âm. Tóm lại: Vb Vin RG Vb Vo RF Áp dụng các giả thiết Opamp lý tưởng ta có: R F : điện trở hồi tiếp. R G : điện trở nối từ nguồn V in đến ngõ vào đảo. Điện trở này còn được gọi là điện trở vào Opamp. A v là độ lợi khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại dùng Opamp. Viết phương trình điện thế nút tại nút b, với V b là điện thế tại nút b so điểm điện thế chuẩn ta có : iin 0 (10.7) i in 0 và Vin Va Vb 0 Vb 0 hay V b = 0. 0 V R A V G in 0 V o 0 R F Vo RF Vin RG (10.8) Lý luận tương tự như trên, với Opamp lý tưởng được cung cấp nguồn kép: giá trị của Vo cũng bị chận giới hạn trong phạm vi : V cc V o V cc khi thay đổi giá trị V in.

204 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG MẠCH CỘNG TÍN HIỆU (ADDER): Chúng ta xét hai trường hợp cho mạch cộng tín hiệu dùng Opamp: Phương trình điện thế nút tại a : Các giả thiết Opamp lý tưởng cho ta : Suy ra: G F Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào không đảo (hình H.10.1). Mạch cộng tín hiệu tại ngõ vào đảo (hình H.10.). MACH CỘNG CÁC TÍN HIỆU TẠI NGÕ VÀO KHÔNG ĐẢO: ta có: Viết phương trình điện thế nút tại b, Vb Vb V o iin 0 (10.9) R R Va Vin1 Va Vin Va V in3 iin 0 (10.30) R R R 1 3 i in- = i in+ = 0 và V in = V a V b = 0 hay V a = V b. 1 1 V V. b R R R o G F F (10.31) Vin1 Vin V V. a R R R R R R in Từ điều kiện V a = V b, phối hợp (.10) và (.11) ta có kết quả sau: R F 1 V o RG V in1 Vin Vin R1 R R3 R1 R R3 Khi chọn các giá trị R 1 = R = R 3, quan hệ (.1) được viết lại như sau: RF Vin1 Vin V V in3 o 1. R G 3 (10.3) (10.33) (10.31) RF Nếu chọn giá trị 1 3 R hay RF =.R G ta có : G V o = (V ín1 + V ín + V ín3 ). Kết quả nhận được cho thấy điện áp ngõ ra là tổng hợp các tín hiệu ngõ vào. Một cách tổng quát với mạch cộng hình H..9 dùng m nguồn tín hiệu điện áp trên ngõ vào tương ứng với các mức điện áp: V in1 ; V in V inm.

205 360 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 Muốn điện áp trên ngõ ra đạt kết quả là : trở trong mạch thỏa quan hệ sau: Và: R1 R... Rm RF m o V i i1 V, ta chỉ cần chọn giá trị cho các điện (10.3) m 1. RG (10.33) MACH CỘNG CÁC TÍN HIỆU TẠI NGÕ VÀO ĐẢO: Trong trường hợp này ta có mạch điện hình H.10.. Áp dụng điều kiện Opamp lý tưởng ta có kết quả sau: i in- = i in+ = 0 V in = V a V b = 0 V b = 0 Suy ra: V b = 0. Áp dụng phương trình điện thế nút tại b ta có: Tóm lại: Vb Vin1 Vb Vin Vb Vin3 Vb Vo iin 0 (10.33) R R R R 1 3 F Vin1 Vin V Vo R F. R R R in3 1 3 (10.34) Khi chọn các giá trị điện trở ngõ vào R 1 = R = R 3 = R in, ta có kết quả: R V. V V V F o in1 in in3 Rin Trong trường hợp đặc biệt nếu chọn R F = R in ta có :: o in1 in in3 (10.35) V V V V (10.36) Điện áp trên ngõ ra bằng tổng các giá trị tín hiệu điện áp ngõ vào nhưng đảo dấu. CHÚ Ý: Khi tín hiệu điện áp ngõ vào mạch cộng là các điện áp một chiều, điện áp trên ngõ ra cũng là dạng một chiều. Dấu của điện áp ngõ ra tùy thuộc vào dạng mạch sử dụng. Khi tín hiệu điện áp ngõ vào không là dạng một chiều, có thể là các hàm số theo biến số thời gian t, tín hiệu điện áp ngõ ra sẽ là hàm tổng hợp của các tín hiệu ngõ vào. THÍ DỤ 10.: Trong mạch H.10.3 cho : V cc = ± 1 V ; R 1 = R = 4,7 KΩ ; R F = R G = 10 KΩ ; Opamp có mã số là TL084. Các tín hiệu điện áp trên ngõ vào V in1 và V in có dạng như trong hình H Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 (tương ứng với thông số của mạch khuếch đại trong hình H.10.3) trình bày trong hình H Xác định dạng tín hiệu áp Vo trên ngõ ra của mạch khuếch đại cho trong hình H.10.6.

206 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG V in1 V in H.10.4: Dạng điện áp V in1 và V in trên ngõ vào của mạch cộng dùng Opamp trong H GIẢI: R Áp dụng quan hệ (10.31) ta có: F Vin1 V V in o 1. R G.Vì R F = R G = 10 KΩ suy ra kết quả như sau: V o V in1 V in. Khi V in1 thay đổi trong phạm vi 10V Vin1 10V và Vin 5V giá trị tính toán theo lý thuyết của điện áp V o là : 15V Vo 5V. Do ảnh hưởng mức ngưỡng bảo hoà dương và bảo hoà âm của đặc tuyến chuyển, phạm vi thay đổi điện áp V o trên ngõ ra của mạch cộng là: 10,5V Vo 5V, xem hình H H.10.5: Đặc tuyến chuyển của Opamp TL084 trong mạch cộng hình H.10.3.

207 36 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 10 H.10.6: Dạng điện áp V out trên ngõ ra của mạch cộng dùng Opamp trong hình H MẠCH TRỪ TÍN HIỆU VÀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI: Hay: Suy ra: F Đầu tiên, chúng ta xét trường hợp tổng quát khi các điện trở hồi tiếp R F, điện trở nối đất R G và các điện trở nối tiếp với các nguồn áp có giá trị khác nhau. Áp dụng phương trình điện thế nút tại các nút a và b, chúng ta có các quan hệ sau đây. Phương trình điện thế nút tại a: Va Va V in1 iin 0 (10.37) R R G 1 Phương trình điện thế nút tại b: Vb Vin Vb V o iin 0 (10.38) R R Áp dụng điều kiện Opamp lý tưởng ta có: V V V V V 0 và i in- = i in+ = 0 V a in in in a b V và i in- = i in+ = 0 b 1 1 V V. a R R R in1 G 1 1 (10.39)