CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1.Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển
3.1.1.Mục đích và yêu cầu
-Muốn Tiristor mở cho dòng chạy qua thì phải có điện áp dương đặt trên anot và
phải có xung áp dương đặt nên cực điều khiển. Sau khi Tiristir mở yhif xung
điều khiển không còn tác dụng, lúc này dòng điện chạy qua Tiristor do thông số
mạch động lực quyết định.
Chức năng của mạch điều khiển:
-Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của
điện áp đặt nên anot-catot của Tiristor.
-Tạo được các xung có đủ điều kiện mở được Tiristor, xung điều khiển thường
có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung t
x
=20÷100µs đối với thiết bị chỉnh lưu.
Độ rộng xung xác định theo biều thức:
t
x
=
Trong đó:
I
dt
: Dòng duy trì của Tiristor.
: Tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Mối quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu với việc thay đổi góc mở α
U
c l
=U
o
cosα
Trong đó: -U
c l

Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
2
Tổng đại số U
r
+ U
c
được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm
biến đổi U
c
ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là thời
điểm điều chình góc mở α.
Khi: U
c
= 0 ta có α = 0
U
c
< 0 ta có α > 0
Quan hệ giữa α và U
c
được biểu diễn qua công thức sau:
α=π
Người ta thường lấy U
rmax
= U
cmax
.
b.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos.
Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng hai điện áp:
-Điện áp điều khiển U
c

Người ta lấy B = U
cmax
Khi u
c
= 0 thì α = π/2
Khi u
c
= U
Cmax
thì α = π
Khi u
c
= -U
Cmax
thì α = 0
Như vậy khi α biến thiên từ -U
Cmax
đến +U
Cmax
thì α biến thiên từ 0 đến π.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị biến
đổi đòi hỏi chất lượng cao.
3.2.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch.
- Toàn bộ mạch điện phải dùng 2 cổng AND nên ta chọn một con IC 7415. Mỗi
con IC7415 có 3 cổng AND.
Hình 3.3: Sơ đồ chân IC7415.
-Ta dùng một con HCF4066 phục vụ cho việc chuyển mạch nạp:
4
Vcc
Gnd

0
C
Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W)
Tổng trở đầu vào : R
in
= 10
6
( MΩ)
Dòng điện đầu ra : I
ra
= 30 ( pA).
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/µs).
3.3.Sơ đồ khối và chức năng
3.3.1.Khâu đồng pha.
D2
R2
D3
U
ng
1
Hình 3.7: Sơ đồ khối đồng pha.
6
Tín hiệu đồng bộ có thể lấy từ biến áp lực cũng có thể lấy từ một biến áp khác.
Do trong mạch điều khiển có nhiều khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng
ta dùng một biến áp có quấn nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn có một chức
năng riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu
đồng bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz,
trùng pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai điôt D2 và
D3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U
1

điểm điện áp nguồn đi qua điểm không.
U
0
càng nhỏ thì xung U
2
càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn
lựa chọn α
max
= 175
0
thì U
0
=
0
2
5sin2U
(4.1)
Từ phương trình 4.1 ta có
0
U
=
V48,1087,0.12.25sin.12.2
0
==
.
Ta có
434
0
RR
E

=0,T
1
khóa, tụ C
1

được nạp bởi dòng điện:
434
1248,1
RRR
+
=⇒
-Tại thời điểm điện áp U
2
chuyển từ 1→0 tụ C
1
phóng hết điện (U
C1
=0) và bắt
đầu được nạp điện. Khi U
2
chuyển từ 0→1 transitor T
1
thông, C
1
bắt đầu phóng
điện cho tới khi điện áp U
2
chuyển từ 1→0. Tụ C
1
phóng điện trong suốt độ rộng

r
Ω
Vậy: R
3
= 50 kΩ . R
7
=10 kΩ.
3.3.4.Khối phản hồi dòng điện.
Hinh 3.10: Khối phản hồi dòng điện.
Điện áp phản hồi được lấy trên điện trở R
s
của mạch lực. Tín hiệu qua khuếch
đại thuật toán OA6 được lật trạng thái, sau đó được cộng với tín hiệu chủ đạo
lấy trên chiết áp VR1 U
4
= U
fh1
+ U
cd1
(U
cd1
lấy trên triết áp VR1). Ban đầu khi
chưa nối tải vào mạch, điện áp của bộ chỉnh lưu là U
d
=U
0
, dòng điện I
d
=0. Khi
nối tải vào mạch, dòng điện sẽ tăng lên, do nội trở của acqui nhỏ nên dòng điện

dkU
= U
7
= U
phU
- U
cd
U
cd
: Điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR2.
U
phU
: Điện áp tại đầu ra của khuếch đại thuật toán OA8 (U
6
).
Khi điện áp nạp tăng lên lớn hơn giá trị điện áp đặt cho mỗi ngăn acqui đơn là
2,7V làm cho U
f
tăng, U
fhU
tăng, làm cho U
dkU
tăng lên. Điên áp điều khiển tăng
làm cho góc mở α tăng, do vậy điện áp acqui giảm xuống bằng giá trị đặt.
3.3.6.Khối chuyển mạch nạp.
Hình 3.12: Khối chuyển mạch nạp.
Khi dung lượng của acqui đạt tới 80% giá trị định mức mạch sẽ tự động chuyển
từ chế độ nạp dòng điện sang chế độ nạp bằng điện áp. Biến trở VR3 là biến trở
đặt giá trị chủ đạo, tương ứng với điện áp trên mỗi ngăn acqui là 2,4V. Khi điện
áp cho mỗi ngăn acqui dưới 2,4V, điện áp U

, khuếch đại thuật toán lật trạng thái và U
r
= -U
rmax
≈ -E. Điện áp trên tụ
C2 không thể thay đổi giá trị đột ngột và lúc này tụ C2 lại phóng điện qua R1. Ở
thời điểm t = t
2
, khi
28
2928
0
R
RR
E
UU
C
+
−=−=
, khuyếch đại thuật toán lật trạng
thái U
r
= U
rmax
≈ +E và sau đó quá trình lại được lặp lại.
Thời gian nạp của tụ C
2
là:
T
nap

= VR/2 thì T= 1,1 VR.C
2
= 333 (µs)
vậy : VR. C
2
= 302,73 (µs)
Chọn tụ C
2
= 0,1µF có điện áp U = 16 (V) ; VR= 3027,3 (Ω).
Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn VR là biến trở 3 KΩ.
3.3.8. Khối khuyếch đại xung và biến áp xung.
Hình3.14: Khối khuyếch đại xung và biến áp xung.
Tính BAX
Theo phần tính toán ở mạch lực ta chọn van Tiristor loại 25RIA102M. Van có
các thông số:
U
g
= 3 V
I
g
= 0,9A
Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ cấp máy biến áp.
Chọn vật liệu sắt từ í 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ ỉ làm trên một phần tử của
đặc tính từ hoá ΔB = 0,7 Tesla, ΔH = 50 A/m, có khe hở.
+ Chọn tỷ số của máy biến áp: m = 3.
+ Điện áp cuộn thứ cấp BAX
U
2
= U
đk

∆
0
µ
=
50.10
7,0
6−
= 14.10
3
µF
+ Vì mạch có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình. Sơ bộ chọn: chiều dài
trung bình của đường sức l = 0,1mm, khe hở l
kh
= 10
-5
m.
3
3
5
10.8,5
10.14
1,0
10
1,0
1
=
+
=
+
=

100 µs
- S
x
: độ sụt biên độ xung lấy S
x
= 0,15
- U
1
: điện áp sơ cấp
- I
1
: dòng điện sơ cấp
Thay số vào ta được :
3 6 6
6 3
2
5,8.10 .10 .100.10 .0,15.9.0,3
0.479.10
0,7
V m
− −
−
= =
- Chọn mạch từ có thể tính V = 1,4 cm
3
với thể tích đó ta có các kích thước
mạch từ:
a = 4,5 mm
b = 6 mm
d = 12 mm

2
W 63
W 21
3 3
= = =
- Tiết diện dây quấn thứ cấp
1
1
1
I
S
J
=

- Chọn mật độ dòng điện J
1
= 6 A/mm
2
2
1
0,3
0,05
6
S mm
= =
Đường kính dây quấn sơ cấp :
1
1
4 4.0,05
0,25

2
2
4 4.0,18
0,4787
S
d mm
π π
= =
Chọn dây dẫn có tiết diện tròn ( Bảng II.3 - ĐTCS – Nguyễn Bính). Tiết diện S
2

= 0,1886 (mm
2
), đường kính d
2
=0,49(mm), trọng lượng 1,68gam/m, trở suất
0,0914 ohm/m.
- Kiểm tra hệ số lấp đầy:
2 2 2 2
1 1 2 2 1 1 2 2
d
2
2 2
w w w w 0,25 .63 0,49 .21
0,06
12
4
l
S S d d
k

1
=175
0
C.
+ Hệ số khuyếch đại β = 50.
+ Dòng điện làm việc của colecto I
C
=I
1
=50 mA.
+Dòng điện làm việc của Bazo I
B
=
)mA(
I
C
1
50
50
3
==
β
Ta thấy rằng loại thyristor đã chọn có :
+ điện áp điều khiển U
đk
=3V
+ dòng điều khiển I
đk
= 0.9A.
Ta có:

3
5
694.44
. 1,2.6.10
v
B
U
R R
k I
−
= = = = Ω
Trong đó : k: Là hệ số dự trữ, chọn k=1,2
U
v
: Là điện áp ra của 7415 chọn là 5V
Vậy để thuận tiện cho việc mua linh kiện ta chon R
31
và R
33
là 700Ω
Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có các tham số:
- Dòng điện định mức : I
đm
= 10 (mA)
- Điện áp ngược lớn nhất : U
ng
= 25 (V)
- Điện áp để cho Diot mở thông : U
m
=1(V)

Tín hiệu xoay chiều được chỉnh lưu bởi 2 diôt D
11
, D
12
, sẽ được so sánh
với điện áp U
0
để tạo ra tín hiệu đồng bộ U
2
trùng với thời điểm điện áp
lưới đi qua điểm 0. Tín hiệu đồng bộ này sẽ mở khoá điện tử bóng
thường Q
1
để giảm điện áp trên tụ về 0, tụ C
1
được nạp điện theo công
thức U
C
= E.t/R
7
và ở đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA2 sẽ có tín
hiệu răng cưa. Sau đó tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển
nhờ bộ so sánh bằng khuyếch đại thuật toán OA3.
Bộ OA11 là một đa hài dao động xung có tần số cao U
9
với mục đích
giảm kích thước của máy biến áp xung. Tín hiệu cao tần trộn lẫn với tín
hiệu điều khiển U
12
cùng các tín hiệu phân phối U

1
= C
2
= C
3
= C
4
=220ỡF/50V.
+ Vi mạch ổn áp 78L12, 79L12 là loại vi mạch ổn áp có công suất nhỏ.
Dòng điện tải không vượt quá 100mA. Chúng được bao gói dưới 2
dạng: vỏ sắt lý hiệu bằng chữ H, vỏ bằng chất dẻo ký hiệu bằng chữ Z.
Tính toán máy biến áp nguồn:
Ung
U22
U21
U23
U24
0V
12V
24V
0V
18V
36V
- Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán, I
1
= 500mA.
⇒
Công suất của nguồn nuôi là:
P
1

1
1
===
78L
V
CC
R
79L
V
CC
R
Hình 3.17:Sơ đồ bố trí chân.
- Tiết diện lõi thép mạch từ:
2
22,0
30
2,1
cm
P
k
S ===
Ta chọn lõi thép có tiết diện S = 0,92cm
2
, làm bằng thép kỹ thuật điện
dày 0,2mm, gồm các lá thép hình chữ ỉ và chữ I ghép lại với nhau:
Theo công thức kinh nghiêm chúng ta tính số vòng/vôn:
S
k
n =
0

.U = 54.18 = 972 vòng.
- Dòng điện trong các cuộn thứ cấp:
AI
W
W
I
W
W
II 5,2136,0.
648
11880

1
22
1
1
21
1
2221
=====
AI
W
W
I
W
W
II 66,1136,0.
972
11880


mm
J
I
J
I
SS =====
(chọn J = 5A/mm
2
)
+ Cuộn 18V:
2
24
23
2423
33,0
5
66,1
m
J
I
J
I
SS =====
(chọn J = 5A/mm
2
)
- Đường kính dây thứ cấp là:
+ Cuộn sơ cấp:
mm
S

πππ
.
- Tra sổ tay“|Thông số dây dẫn tiết diện tròn” (sách “Điện tử công suất”
– NXB Khoa học kỹ thuật – 1996, Nguyễn Bính), ta chọn được dây:
+ Dây sơ cấp: d
1
= 0,59mm, S
1
= 0,2734mm
2
, R=0,21 Ω/m.
+ Dây sơ cấp: d
21
= d
22
= 0,8mm, S
1
= 0,5027mm
2
, R= 0,0342 Ω/m.
+ Dây sơ cấp: d
23
= d
24
= 0,67mm, S
1
= 0,3526mm
2
, R=0,0488 Ω/m.
Tóm tắt thông số trên mạch điều khiển:

5
= 3kΩ , R
s
=R
f
=R
f1
=3kΩ
Transitor loại: 2SC911
Điốt: D
11
,D
12
chọn loại IN4004
Các điôt còn lại chọn loại 1N4009