Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương 1.3: Khí cụ điện tử - Nguyễn Duy Anh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương 1.3: Khí cụ điện tử - Nguyễn Duy Anh

1. Khí cụ điện tử TS. Nguyễn Duy Anh Khoa Cô Khí Boä moân Cô Ñieän Töû
2. Transistor BJT công suất Transistor công suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng và điều khiển ngắt. Transistor công suất hoạt động ở vùng bão hòa vì vậy có điện áp khi đóng nhỏ, giống như khóa đóng ngắt. Tần số đóng ngắt của Transistor công suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và dòng điện định mức của một số transistor công suất nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy có ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ. Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với diode ngược để có thể cho dòng điện chạy cả hai chiều
3. Transistor BJT công suất  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: . Loại NPN (tín hiệu kích dương)
4. Transistor BJT công suất  Active -Vùng tích cực hay vùng tuyến tính: là vùng mà transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu, tương ứng với các giá trị làm việc UCE> UCESAT và dòng IC>ICO. IC=hFE.IB . Trongđó: • hFE là hệ số khuếch đại dòngđiện
5. Transistor BJT công suất b. Saturation -Vùng bão hòa: Dòngđiện Base IB khá lớn với điện áp VCE nhỏ mà BJT hoạt m động như một khóa. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ). . Để chuyển chế đột uyến tính sang chế độ bão hòa cần phải tăng giá trị dòng IB cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đó lớp tiếp xúc C-B phân cực thuận.Ở chế độ bão hòa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT có thể thay thế bằng khóa đóng với điện áp rơi nhỏ. . Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng, dòng IC dẫn và điện thế UCE= UCESAT =1-2 V. BJT có thể thay thế bằng khóa đóng ngắt với điện áp rơi nhỏ. Do dòng điện IB>IB_SAT, dòng điện qua collector IC hầu như không thay đổi. . Điều kiện bão hòa của BJT l UCB=UCE-UBE=0.Độ bõa hòa đạt được khi thỏa mãn điều kiện UBE>0. . Trong chế độ bão hòa dòng điện IB bao giờ cũng có giá trị lớn hơn dòng điện cần thiết để tạo dòng IC so với chế độ tuyến tính. . Điều kiện UBE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nó đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa.
6. Transistor BJT công suất  Mạnh Darlinton: . Các transistor công suất lớn có hệ số hFE chỉ khoảng 10- 20. Do đó, để giảm bớt dòng kích IB, tức tăng hFE có thể ghép nối tiếp các transistor công suất theo cấu hình Darlington. Bất lợi của cấu hình Darlington là độ sụt áp UCE bị tăng lên và tần số đóng ngắt bị giảm.
7. Transistor BJT công suất  d. Một số tính chất và thông số . BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng dòng điện Base IB. Nếu muốn điều khiển dòng tải (IC) lớn cần phải tăng dòng điện IB, làm cho tổn hao công suất và nhiệt độ linh kiện tăng. -Không có khả năng khoá áp ngược. -Điện áp định mức đến 1500V. -Dòng điện định mức đ ến 400A. -Tần số định mức 10 kHz. -Điện áp VBE 1- 2V -Hệ số khuếch đ ại dòng hFE=15 đến 100. . Dòng điều khiển IB đến 10A và lớn hơn dòng điều khiển của Thyristor . Các trạng thái đóng ngắt. • UCE>0, IB>IBmin : BJT đóng • IB<=0: BJT ngắt
8. Transistor BJT công suất Mạch kích: . Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT được đóng ngắt bởi dòng IB thích hợp, và thay đổi được dòng IC trong mọi điều kiện. Trong đó nhiệm vụ của mạch kích: • Giảm thời gian chuyển trạng thái (ton, toff): bằng cách cho dòng kích IB giai đoạn đầu khá lớn và sau đó giảm dần. • Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất: dùng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (opton)
9. Transistor trường MOSFET Lọai transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp được gọi là Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp). MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW) và không thích hợp sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn. Tuy nhiên, linh kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn.
10. Transistor trường MOSFET  MOSFET có hai lọai pnp và npn. Trên hình bên mô tả cấu trúc MOSFET lọai npn. Giữa lớp kim lọai mạch cổng và các mối nối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO. Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng. Khi điện áp dương áp đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng điện dẫn từ cực drain (collector) tới cực Source (emitter).
11. Transistor trường MOSFET  MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS.  Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng.  Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện.  Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.  Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz.  MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper và với mức điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V,10V tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó.  Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất.
12. Transistor trường MOSFET  Sơ đồ mạch kích được cải thiện trên hình b và sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2 transistor NPN và PNP. Khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm MOSFET dẫn. Khi tin hiệu U1 thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm các điện tích trên mạch cổng được phóng thích và MOSFET trở nên ngắt điện. Tín hiệu U1 có thể lấy từ mạch collector mở (open- collector TTL) và totem-pole đóng vai trò mạch đệm (buffer).
13. IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)  IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.
14. IGBT  IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nó. Giống như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn.  Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET.  Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor npn và làm cho transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn p. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản.
15. SCR  Đặt tính volt-amper . Thyristor lý tưởng: . Ba trạng thái: đóng – mở – khóa
16. SCR  -Nhánh thuận : UAK>0 và IG>0, Thyristor dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dòngđiều khiển IG có những gía trị khác nhau. Thyristor có thể dẫn với IG =0 khi điện áp UAK có giá trị khá lớn. Mạch tươngđ ương của SCR gồm 2 Transistor mắcđối Collector và Base với nhau xung IG làm 2 Transistor nhanh chóng dẫn bão hoà.  -Nhánh nghịch khi UAK IG1>IG0→ VB02<UB01<UB0.  - IL (L- Latching) - Dòng chốt : Khi dòng thuận qua SCR IF lớn hơn giá trị dòng chốt IL mới có thể tắt xung điều khiển  - IH (H – Holding)- Dòng duy trì : trong quá trình dòng thuận SCR IF thấp hơn dòng duy trì IH thì SCR tự động chuyển sang trạng thái ngắt  - VBR – Áp đánh thủng SCR.
17. SCR  Các trạng thái của SCR: SCR có 3 trạng thái: . - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode âm so với cực cathode. . - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode. . - Trạng thái dẫn.
18. SCR  Hình dạng thực tế thường gặp:
19. Triac  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: . -TRIAC được cấu tạo bởi hai Thyristor mắc đối song song. Do đó linh kiện dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ.
20. Triac  Đặc tính Volt-Amper TRIAC . -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC vẽ theo chiều quy ước của cực T1. . -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC có tính đối xứng