Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Chương I :
DẪN NHẬP
I- ĐẶT VẤN ĐỀ
II- GIỚI HẠN VẤN ĐỀ
III- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
IV- THỂ THỨC NGHIÊN CỨU
V- PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ
Trang 1
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
I/ ĐẶT VẤN ĐỀ :
Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nước
chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bò bán dẫn công suất được đưa vào trong các mạch
điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lónh vực sản xuất và
trong việc phục vụ đời sống sinh hoạt hàng ngày.
Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật điều này kéo theo sự phát triển
và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor, các bộ biến đổi đổi điện ngày càng gọn
nhẹ, độ tác động cao, dễ dàng ghép nối với các vi mạch điện tử.
Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới
công nghệ để đưa tự động hóa vào sản xuất Em xin giới thiệu đề tài.
“Ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ
điện một chiều”.
II/ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ :
Đề tài ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều
khiển động cơ điện một chiều là một đề tài rộng muốn tìm hiểu sâu rộng các linh
kiện bán dẫn, các phương pháp ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian vì thời gian
làm đồ án có hạn nên đề tài được giới hạn như sau :
1) Giới thiệu linh kiện bán dẫn (điện tử công suất)
2) Ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ một chiều
3) Giới thiệu PLC và ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC
4) Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể

D-TRIAC
E- OP AMP
Trang 4
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
A/ DIOD CÔNG SUẤT:
1) Cấu tạo Diode
Diode công suất hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo
lớp chuyển tiết P-N
- Các điện tự do trong bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ trống tự do của
chất bán dẫn P. Do đó lớp N sẽ mang điện tích dương được nối với điện cực catot
(K) còn lớp P mang điện tích âm được nối với điện cực anot (A) lớp chuyển tiếp
P – N có hàng rào điện thế vào khoảng 0,6÷ 0,7v khi có dòng điện đònh mức.
Khi ta đặt một điện áp ngược lại các điện tử tự do và lỗ trống sẽ bò đẩy ra xa
lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vài mA chạy qua chuyển tiếp P-N coi như
không đáng kể như vậy Diode có tính dẫn dòng điện theo một chiều
Diode công suất được cấu tạo như hình 1-1
Hình 1-1
a- Cấu trúc bên trong của Diode
b- Ký hiệu của Diode
c- Hình dạng bên ngoài của Diode
2) Đặc tính của diode
a. Khi Diode được đặt một điện áp V
Ak
= const
Trường hợp này U
AK
ngược chiều với U
TX
(điện áp tiếp xúc). Do đó hàng rào
điện thế giảm xuống hoặc mất đi điều đó làm dòng điện khuyếch tán (I


−






=−= 1
11522
AKsngKT
u
T
EXPIIII
a)
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Hình 1-2 : Đặc tính của Diode
b. Khi Diode được đặt một điện áp U
AK
<0
Trường hợp này điện áp V
AK
cùng chiều với điện áp U
tx
hàng rào điện thế
tăng lên, hàng rào này đẩy các hạt mang điện đa số ra xa mặt tiếp xúc điều này tạo
ra một lớp cách điện đối với hạt mang điện đa số và cản trở hoàn toàn dòng điện
khuyếch tán
Ta có đặc tính như hình 1-3
Từ hai đặc tính trên ta tổng hợp lại ta có đặc tính Volt – Ampe của Diode như hình

s
: dòng điện bão hòa nghòch)
Nếu đặt điện áp ngược các điện trở tự do và các lỗ trống bò đẩy xa lớp
chuyển tiếp kết quả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua khi tăng
tiếp tục điện áp ngược các điện tích gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện
thế bò chọc thủng. Kết quả Diode mất tính dẫn điện theo một chiều khi điện áp
ngược vượt quá.
3. Các thông số cơ bản của diode
- Dòng điện đònh mức : dòng điện cực đại cho phép đi qua diode trong
một thời gian dài khi diode mở (I
D
)
- Điện áp ngược cực đại : U
ngmax
là điện áp ngược cực đại cho phép đặt
vào Diode trong một thời gian dài khi Diode khóa.
- Điện áp rơi đònh mức ∆u là điện áp rơi trên Diode khi Diode mở và
dòng qua Diode bằng dòng thuận đònh mức
- Thời gian phục hồi tính khóa t
k
là thời gian cần thiết để Diode chuyển
từ trạng thái mở sang trạng thái khóa.
4. Các ứng dụng của diode công suất
4.1. Dùng cho bộ chuyển mạch cho thiết bò chỉnh lưu
Hình 1-5
a. Chỉnh lưu hai nữa chu kỳ cho 1 pha
V
1
= V
m

2
= V
m
(Sinωt - 2π/3)
V
3
= V
m
(Sinωt - 4π/3)
Hình 1 –6
c. Mạch nhân đôi điện áp
V2
V1
V2
C1
C2
DIODE
DIODE
Hình 1-7
d. Mạch chỉnh lưu cầu
V2
V1
Hình 1-8
4.2: Dùng bảo vệ transistor
Hình 1 - 9
B. TRAN SISTOR CÔNG SUẤT :
1. Cấu tạo :
Transistor là từ ghép của hai từ tranfer và resistor
Transistor là linh kiện bán dẫn có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn PNP hoặc
NPN ghép với nhau như hình

công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn vì
vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở.
Để Transistor làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của
Transistor gọi là phân cực cho Transistor
Ta xét sơ đồ mạch như hình 2-3
Hình 2 - 3
Trong sơ đồ trên ta có thể xem dòng điện gốc I
B
là dòng điều khiển, dòng
điện cực góp I
c
là dòng động lực
Trang 9
E
C N P
B
N
N
P
N
I
B
=I
Bbh
3
I
B
=I
Bbh
I

Cmax
N
I
cbh
2
I
B
=I
B0
∆
c
M 1
I
b
=0
E
cc
U
CE
U
CEbh
U
CEO
I
C
3
I
B
=I
Bbh

I
B
=I
B0
∆
c
M 1
I
b
=0
E
cc
U
CE
U
CEbh
U
CEO
I
Cmax
I
cbh
N
I
B
=I
B
0
∆
c

phân cực ngược. Do đó các điện tử tự do dễ dàng chuyển dòch qua J
E
từ E sang B đến
mặt tiếp giáp J
c
đến dãy điện tử gia tốc bởi điện trường ngược E
CB
và dễ dàng đi
qua J
c
đến C. Dòng điện tử này tạo nên dòng điện cực góp I
c
. Một số ít điện tử tự do
từ E sang B tái hợp với các lỗ trong vùng B để cân bằng điện tích, lớp B phải lấy các
lỗ mới từ nguồn E
B
bằng số điện tử tái hợp.
Như vậy ta gọi dòng điện tạo ra bởi các điện tử tự do đi từ E sang B là dòng
điện phát I
E
thì ta có:
I
E
= I
C
+ I
B
Trong đó I
B
<<I

c
với các đường cong (1) ; (2) ; (3) chính là điểm làm việc
của Transistor.
Khi dòng điện I
B
càng tăng thì điểm làm việc càng gần đến điểm uốn
Khi I
B
tăng đến giá trò nào đó thì điểm làm việc trùng với điểm uốn và I
c
không tăng lên nữa ta nói I
c
đạt đến giá trò bão hòa I
cbh
Điểm cắt M của đường cong 1) và đường ∆c tương ứng với I
C
= 0 được gọi là
điểm khóa còn điểm N tương ứng với I
B
= I
Bbh
được gọi là điểm mở bão hòa
Khi transistor làm việc ở điểm M
Thì I
B
= 0 I
c

≈
0 Transistor khóa

I
cbh
2
I
B
=I
B0
∆
c
M 1
I
b
=0
E
cc
U
CE
U
CEbh
U
CEO
3
3
I
B
=I
Bbh
I
Cmax
N

N
I
cbh
2
I
B
=I
B0
∆
c
M 1
I
b
=0
E
cc
U
CE
U
CEbh
U
CEO
I
Cmax
N
I
cbh
2
I
B

P
ts
= V
CE
. I
C
3. Cách thức điều khiển transistor
Gọi I
C
là dòng collector chòu được điện áp bão hòa V
CESat
khi transistor dẫn
dòng bão hòa I
B
= I
Bbh
và khi khóa I
B
= 0 V
CEsat
= V
CE
a. Mạch trở giúp transistor mở
Khi transistor từ trạng thái đóng sang trạng thái mở mạch trợ giúp gồm các
Trang 11
100
200
5050
10
V

= I I
D
= 0
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc (base) của transistor dòng I
C
giảm
xuống đến 0 trong khoảng thời gian t
f
. Vậy cho nên
I = I
C
+ I
D
= const
Khi giảm I
c
thì I
D
tăng lên ngang D
1
sẽ làm ngắn mạch tải năng lượng tiêu
tán bên trong Transistor sẽ là.
2
fI
T
t.u
W =
Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho Transistor
I= I
C

C
D2
R2
a
V
CC
V
C
t
i
1
t
i
D
I
t
f
b
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Khi t = t
f
; I
c
= 0
V
c
(t
f
)= V
0

3
), điện trở (R
3
) có chức năng hạn
chế sự tăng vọt của dòng I
C
trong khoảng thời gian đóng (T
on
) của transistor.
T
on
: là thời gian cần thiết để V
CE
từ điện áp nguồn V
CC
giảm xuống
V
CE
≈0
Sơ đồ như hình 2 – 6
+
-
G
-VCC
+
VCC
T
D2
C
D4

dt
dv
CII ≈==
1
u
tI
C
C
.
=⇒
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Hình 2 -6
Thời gian tổng cộng cho quá trình đóng là t
r

Điện cảm (L) được tính theo biểu thức
Để chọn L ta chọn thời gian đóng t
r
trong khoảng
2t
on
< t
r
< 5t
on
Điện trở R
3
có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn
cảm (L) tạo ra trong mạch L
1

NPN
RC
Hình 2-7
- Trong thực tế transistor công suất thường được làm việc ở chế độ khóa
- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực góp bằng không
transistor lúc này hở mạch hoàn toàn
- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trò bão hòa thì transistor trở về trạng
thái dẫn hoàn toàn hai trạng thái ngắt và dẫn của transistor được minh họa qua
hình 2- 8
Trang 14
I
u
l
R
I
L
t
i
Lu
dt
di
L
tr
=⇒=
∆
∆
==
2
3
R

thò transistor bò hư
I
Cmax
: là dòng điện tối đa ở cực collector. ()
I
Bmax
: là dòng điện đối đa ở cực base (gốc)
d- Công suất giới hạn
Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng
transistor
Công suất sinh ra được tính theo công thức
P
t
= I
c
– V
CE

e- Tần số cắt
Trang 15
Trạng thái dẫn bão hòa
I
s
lớn, I
c
phụ
thuộc tải
Trạng thái ngắt
I
s

a- Sơ đồ cấu trúc bên trong
b- Ký hiệu
c- Các loại thyristor
2. Nguyên lý làm việc
Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp
a- Thyristor phân cực ngược
Hình 3 -2
Trang 16
A
p
N
p
N
K
J
1
J
2
J
3
G
J
2
J
3
E
A
p
N
pN

. Điện trường ngược này ngăn cản
sự chuyển dòch J
2
của các hạt mang điện đa số (lỗ trống) nên dòng điện đi qua anốt
rất bé chỉ vài mA
Mặc dù điện trường ngược E
C
này gia tốc cho các hạt mang điện thiểu số
(điện tử) đi qua J
2
. Do đó nguồn E tăng đến trò số u
cđ
nào đó khoảng từ 100-3000v,
tùy loại thyristor. Khi nào nguồn E tăng quá trò số u
cđ
trên đường đặc tính của
thyristor thì các nguyên tử trong lớp ghép J
2
bò phá vỡ lớp ghép J
1
và J
3
cũng bò phá
vỡ lúc này dòng điện ngược tăng lên một cách nhảy vọt điều đó làm hỏng thyristor
ta có dạng đặc tính vôn ampe của thyristor Asene
I = f(E)
b- Thyristor phân cực thuận
Hình 3 - 3
Trong trường hợp này dưới tác dụng E
c

càng lớn thì số điện tự do đi qua J
2
càng nhiều hàng rào điện
thế trên J
2
càng giảm và điện áp E cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở
mặt ghép J
2
càng bé.
Khi I
a
lớn hơn trò số I
L
nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện
tượng dẫn điện ào ạt lan rộng ra khắp mặt J
2
). Thì nếu tắt dòng điện điều khiển I
G
hoặc điện áp u
GK
thyristor vẫn tiếp tục mở trò số I
L
được gọi là dòng điện anot khởi
động
Thông thường I
L
= 10
-3
I
đm

K
I
a
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
I
H
: là dòng điện duy trò hoặc U
GK
< 0
Vì khi I
a
giảm xuống thì số điện tử tự do qua mặt ghép J
2
giảm điều đó làm
phần dẫn điện của mặt ghép J
2
bò co lại phần không còn dẫn điện sẽ phục hồi tính
khóa khi I
a
< I
H
toàn bộ mặt ghép J
2
được phục hồi tính khóa và thyristor khóa lại
Trong thực tế I
H
rất bé do đó có thể xem thyristor bò khóa lại khi I =0
Từ những lý luận trên đây ta có đặc tính Volt-Ampe I
a
= f E, I

2
I
a
E
Trạng thái dẫn
I
g3
>I
g2
>I
g1
Trạng thái bò khóa
I
g
=0I
H
U
Trạng thái dẫn
Trạng thái khởi động
Trạng thái khóa
Dòng điện duy trì
I
H
E=u
i
a
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Hình 3 - 6
Hình 3 - 6 Mở thyristor bằng dòng điện
điều khiển

.a.t
Công suất chuyển mạch tức thời là
P
c
= E.I
a
= u
0
I
amax
(at – a
2
t
2
)
Công suất này sẽ đạt tại số cực đại khi
Và t = 1/ 2a năng lượng chuyển mạch
Trang 19
0=
dt
d
pc
4
2
0
maxau
P
maxC
=
∫∫

a- Ứng dụng thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Sơ đồ mạch như hình 3-8
V
M
SCR
D
VR
C 1uF
R3
1k
R1 1k
R2
4.7
Hình 3 - 8
M: là động cơ chạy điện một chiều
Dòng điện qua động cơ chỉ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trò
số bằng cách thay đổi góc kích của dòng điện I
G
khi SCR chưa dẫn thì không có
dòng điện qua động cơ diode dẫn dẫn điện nạp vào tụ qua điện điện trở R
1
vàbiến
trở V
R
điện thế cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân thế R
2
, R
3
Giả sử điện thế đủ để kích cho cực G là V
G

1
max0
swfIufWP
aCC
==
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
b- Mạch chỉnh lưu cầu một pha
M
,
th2
th2
,
th1
th1
Hình 3 - 9
c- Mạch báo động
Sơ đồ mạch điện hình 3 -10
LAMP
HORN
M
th
+
12
R
Hình 3 -10
SCR dùng với nguồn 1 chiều thì có thể ứng dụng trong mạch báo động khi
quá nhiệt, quá áp suất, thì nút nhấn M bò nhấn, SCR sẽ được kích dẫn điện và duy
trì trạng thái dẫn để cấp điện cho đèn cháy và còi báo.
5. Các thông số chủ yếu của thyristor
a- Trò số hiện dụng đònh mức của dòng điện anot I

a
R
vV
I
7,0−
=
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
e- Thời gian phục hồi tính khóa là thời gian tối thiểu cần thiết để
thyristor phục hồi tính khóa
f- Triac (triode alternative current)
1. Cấu tạo
Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai thyristor nối song song ngược gồm
2 cực và chỉ có một cực điều khiển
Sơ đồ hình 4 –1
Hình 4 -1
a) Cấu trúc bên trong
b) Hình vẽ cấu tạo
c) Ký hiệu
2. Nguyên lý làm việc
Theo cấu tạo của một triac được xem như hai thyristor ghép song song và
ngược chiều nên
Khi khảo sát đặc tính của triac người ta khảo sát như hai thyristor
a- Khi cực T
2
có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì triac
dẫn điện theo chiều từ T
2
qua T
1
như hình 4-2

b)
a)
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
M
G
T2
T1
+
VDC
TAI
R
Hình 4 - 3
c- Khi triac được dùng trong mạch xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán
kỳ dương cực G cần được kích xung dương khi nguồn có bán kỳ âm cực G cần được
kích xung âm triac cho dòng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điện thì điện
thế trên hai cực T
1
, T
2
rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dòng trong mạch
điện xoay chiều như hình vẽ
+
-
VAC
G
T2
T1
TAI
R
Hình 4- 4

211
>>
TTGT
ukhiu
T
2
â

m
Trạng thái dẫn

Trạng thái
khóa

I
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ n Tốt Nghiệp
Như vậy triac có thể mở theo 2 chiều
- Chiều thuận từ T
2
đến T
1
. Khi và tác dụng vào cực G một xung
điện áp dương ( )
- Chiều thuận từ T
1
– T
2
. Khi và tác dụng vào cực G một xung
điện áp âm ( )
4. Mạch điều khiển

Giả thuyết tại thời điểm ban đầu (ωt=0) tụ điện C đã phóng hết điện, và điện
áp trên nó u
c
= 0

thì khi u
a
tăng theo chiều dương (u
a
> 0) tụ điện C được nạp đện theo
Trang 24
0
21
>
TT
u
0
1
>
GT
u
0
12
<
TT
u
0
1
<
GT

(đường cong 3 hình 4-7) và mở Triac. Triac tiếp tục mở cho đến hết
nửa chu kỳ dương của điện áp u
a
tại góc pha ωt = π điện áp u
a
giảm đến 0 dòng điện
qua triac I
a
cũng giảm đến 0 vì tải thuần trở và u
a
, I
a
cùng pha. Do đó triac khóa lại
sang nửa chu kỳ âm của u
a
. Tụ điện C được nạp điện theo chiều âm và u
c
tăng theo
chiều từ b đến a
Tại góc pha φ
1
= φ
0
+ π, điện áp U
c
= u
cđ
diac D mở tụ điện C phóng điện qua
điện trở R
p

t

5. Ứng dụng của Triac
Triac để ứng dụng một số mạch, điều chỉnh ánh sáng đèn điện, nhiệt độ lò,
điều chỉnh chiều quay và tốc độ động cơ một chiều
6. Các thông số của triac
a- Điện áp điện mức u
m
Đó là điện áp cực đại cho phép đặt vào triac theo chiều thuận hoặc chiều
ngược trong một thời gian dài
b- Dòng điện hiện dụng đònh mức I
m
Trang 25
∫
=
π
ω
π
2
0
2
2
1
tduu
RR
∫ ∫



