Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa hệ thống sản xuất. Việc ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong các hệ thống truyền động điện mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu nhỏ gọn, khả năng tự động hóa cao, hiệu suất làm việc tối ưu và giảm thiểu diện tích lắp đặt so với các hệ thống truyền động truyền thống như khuếch đại từ hay hệ máy phát - động cơ. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong công tác điều khiển công suất phụ tải xoay chiều, đề tài "Thiết kế và chế tạo mạch điều áp xoay chiều một pha sử dụng Triac" được sinh viên Phạm Đức Hiệp thực hiện trong khuôn khổ học phần Đồ án 2 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Đỗ Thành Hiếu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Phân tích tổng quan các cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều một pha và cơ chế dẫn dòng hai chiều của van bán dẫn Triac.
  2. Khảo sát cấu trúc mạch điều khiển phát xung mở van, so sánh các nguyên tắc điều khiển và lựa chọn vi mạch chuyên dụng TCA785 kết hợp tầng cách ly quang.
  3. Tính toán, thiết kế chi tiết các khối chức năng bao gồm: mạch động lực, mạch điều khiển phát xung, khối nguồn nuôi ổn áp và khối cách ly galvanic.
  4. Tính toán, lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá nhiệt (cánh tản nhiệt nhôm) và bảo vệ ngắn mạch (cầu chì tác động nhanh) cho van bán dẫn công suất.
  5. Thiết kế bản vẽ mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh và tiến hành đo kiểm, hiệu chỉnh các thông số vận hành thực nghiệm trên máy hiện sóng và đồng hồ đo điện tử.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng van bán dẫn Triac BT136-600E, vi mạch tạo xung TCA785 và bộ ghép quang MOC3021. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều áp nguồn điện lưới $220\text{V AC} - 50\text{Hz}$, cấp nguồn và điều khiển tốc độ cho phụ tải thuần trở (quạt điện dân dụng) có công suất định mức $30\text{W}$, điện áp định mức $220\text{V}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều bằng phương pháp điều khiển góc pha $\alpha$. Bằng cách thay đổi thời điểm phát xung kích mở van Triac từ $0$ đến $\pi$ rad trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn hình sin $u_2 = \sqrt{2}U_2 \sin(\omega t)$, giá trị điện áp hiệu dụng trên tải $U_d$ được điều chỉnh theo biểu thức giải tích:

$$U_d = U_2 \sqrt{1 - \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin(2\alpha)}{2\pi}}$$

Dòng điện hiệu dụng qua tải và qua van Triac được xác định theo công thức:

$$I_d = \frac{U_d}{R}; \quad I_{TRIAC(RMS)} = I_d$$

Công suất tác dụng tiêu thụ trên tải $P_d$ biến thiên trơn từ giá trị cực đại $P_{\max} = \frac{U_2^2}{R}$ khi $\alpha = 0$ xuống $P_{\min} = 0$ khi $\alpha = \pi$.

Về nguyên tắc điều khiển, tác giả phân tích và lựa chọn hệ thống điều khiển đồng bộ theo nguyên tắc "điều khiển thẳng đứng tuyến tính". Hệ thống so sánh điện áp tựa dạng răng cưa $U_{RC}$ (được đồng bộ hóa với tần số lưới điện) với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$. Khi $U_{RC} = U_{đk}$, mạch so sánh lật trạng thái và phát xung mở Triac. Phương pháp này khắc phục nhược điểm cồng kềnh và phụ thuộc chất lượng sóng hài của nguyên tắc điều khiển arccos, đồng thời đáp ứng xung kích đồng thời cho hai nửa chu kỳ dẫn điện.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa:

  • Phương pháp phân tích - so sánh lý thuyết: Đánh giá ưu nhược điểm của 5 sơ đồ mạch lực (2 Thyristor song song ngược, Triac, Thyristor song song ngược Diode, 2 Thyristor + 2 Diode, cầu Diode + Thyristor) để đưa ra cấu trúc mạch lực tối ưu.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật điện tử công suất: Tính toán chọn van theo điện áp ngược cực đại ($U_{ng\max}$) với hệ số dự trữ $K_{dtU} = 1{,}7$, dòng điện định mức với hệ số làm mát $A = 25%$, tính diện tích bề mặt tỏa nhiệt $S_{TN}$ và tính chọn dòng tác động nhanh cho cầu chì nhóm 1CC.
  • Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Thiết kế mạch in, hàn lắp linh kiện, cấp nguồn $V_{CC} = 14{,}9\text{V}$, đo kiểm dải điện áp $U_k$ chân 11 TCA785 và hiệu chỉnh xung răng cưa chân 10 bằng máy hiện sóng Oscilloscope.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính của đồ án gồm giáo trình Điện tử công suất (Nguyễn Văn Doanh; Nguyễn Bính), Giáo trình truyền động điện (Đỗ Công Thắng, Nguyễn Phương Thảo) cùng bảng thông số kỹ thuật (Datasheet) của các linh kiện TCA785 (Siemens), MOC3021, BT136-600E và LM7815.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều áp xoay chiều một pha được thiết kế thành 5 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Khối chức năng Linh kiện chính Thông số kỹ thuật thiết kế Vai trò và nhiệm vụ kỹ thuật
Mạch nguồn nuôi Biến áp, KBP206, LM7815, Tụ hóa, Tụ gốm Biến áp 220V/15V-1A; KBP206 (600V, 2A); $C_1=470,\mu\text{F}/25\text{V}$; $C_3=100,\mu\text{F}/25\text{V}$; $C_2, C_4=104$ Hạ áp, chỉnh lưu cầu, san phẳng và ổn định điện áp cấp nguồn một chiều $+15\text{V DC}$ cho IC điều khiển; LED báo nguồn qua trở $1\text{ k}\Omega$.
Mạch điều khiển Vi mạch tích hợp TCA785 (Siemens) $V_S = +15\text{V}$; $C_{10} = 47\text{ nF}$; $R_9 = 22\text{ k}\Omega$; $VR_1 = 100\text{ k}\Omega$; $VR_2 = 10\text{ k}\Omega$; $R_{đp} = 1\text{ M}\Omega$; $I_S = 200,\mu\text{A}$ Tích hợp đồng pha, tạo xung răng cưa, so sánh với $U_k$ ($0 \div 10\text{V}$) tại chân 11 và xuất xung điều khiển tại chân 14 ($Q_1$), 15 ($Q_2$) với góc mở $0 \div 180^\circ$.
Khối cách ly Optocoupler MOC3021 $V_{ISO} = 7500\text{V}$; $V_{DRM} = 400\text{V}$; $I_{DRM} = 1\text{A}$; $R_{LED} = 680,\Omega$; $R_G = 470,\Omega$ Cách ly quang an toàn giữa mạch điều khiển tín hiệu nhỏ ($15\text{V}$) và mạch lực cao áp ($220\text{V}$), khuếch đại tín hiệu kích cực G của Triac.
Mạch động lực Triac BT136-600E $U_{th\max} = 600\text{V}$; $U_{ng\max} = 600\text{V}$; $I_{T(RMS)} = 25\text{A}$; $I_{T(AVG)} = 7{,}5\text{A}$; $di/dt = 50\text{A}/\mu\text{s}$; $U_{Gđk} = 1{,}5\text{V}$; $I_{Gđk} = 50\text{mA}$ Đóng cắt dẫn dòng xoay chiều hai chiều qua tải theo góc mở $\alpha$, điều chỉnh điện áp tải từ $0\text{V}$ đến $220\text{V AC}$.
Khối bảo vệ Tản nhiệt nhôm 6 cánh, Cầu chì nhóm 1CC Tản nhiệt: $S_{TN} = 42{,}5\text{ cm}^2$ ($20\times 15\times 10\text{ mm}$); Cầu chì nhanh nhóm 1CC loại 2A Tản nhiệt đối lưu và bức xạ cho tổn hao $p = 1{,}36\text{W}$ trên Triac; cắt mạch nhanh (vài ms) bảo vệ ngắn mạch van khi xảy ra sự cố.

Quy trình triển khai và hiệu chỉnh thực nghiệm được tác giả thực hiện qua hai bước chính:

  • Bước 1 (Đo kiểm nguồn): Cấp nguồn cho mạch, sử dụng đồng hồ vạn năng đo kiểm điện áp nguồn nuôi thực tế đạt $V_{CC} = 14{,}9\text{V}$ (gần sát giá trị lý thuyết $15\text{V}$), xác định dải điện áp điều khiển $U_k$ biến thiên từ $0 \div 10\text{V}$.
  • Bước 2 (Cân chỉnh tham số): Đo điện áp chân 11 IC TCA785, xoay biến trở để hiệu chỉnh chính xác $U_k$ đạt tối đa $10\text{V}$. Kết nối máy hiện sóng Oscilloscope vào chân 10 của TCA785 để quan sát xung răng cưa, căn chỉnh hệ số $V/\text{div}$ để điện áp đỉnh xung răng cưa đạt $V_{10} = 10\text{ V/div}$, đảm bảo sự đồng bộ và tuyến tính trong toàn bộ dải điều khiển góc mở $\alpha$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày toàn diện bức tranh lý thuyết về các bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều một pha, van bán dẫn Triac, cấu trúc mạch điều khiển và phần tử cách ly:

  • Phân tích so sánh 5 sơ đồ mạch lực:

    • Sơ đồ 2 Thyristor song song ngược: Đáp ứng dải công suất rất lớn (lên đến hàng chục nghìn ampe), tuy nhiên việc điều khiển hai kênh riêng biệt dễ gây mất đối xứng điện áp tải do sai số linh kiện, làm xuất hiện thành phần dòng điện một chiều gây bão hòa từ, phát nóng và cháy cuộn dây tải.
    • Sơ đồ dùng Triac: Cung cấp đường cong điện áp đối xứng gần như mong muốn, kết cấu mạch gọn nhẹ do chỉ cần một cực điều khiển G duy nhất. Dù bị giới hạn công suất ở mức trung bình và nhỏ ($I < 400\text{A}$), Triac là phương án tối ưu nhất cho yêu cầu của đề tài.
    • Sơ đồ Thyristor - Diode song song ngược: Mạch không đối xứng, điện áp ra chứa thành phần một chiều, chỉ phù hợp cho phụ tải nhiệt (lò điện trở).
    • Sơ đồ 2 Thyristor - 2 Diode: Phân bổ điện áp trên các van khi điện áp nguồn lớn nhưng cấu trúc phức tạp.
    • Sơ đồ cầu Diode kết hợp 1 Thyristor: Điều khiển đối xứng dễ dàng với một van điều khiển nhưng tổn hao nhiệt trên các van rất lớn, làm giảm hiệu suất toàn hệ thống.

  • Đặc tính van bán dẫn Triac: Cấu trúc 3 cực ($A_1, A_2, G$), 4 lớp tiếp giáp bán dẫn, đặc tính V-A đối xứng qua tâm tọa độ. Tác giả phân tích 4 tổ hợp điện thế mở van tại cực $A_2$ và cổng $G$:

Trạng thái cực $A_2$ Trạng thái cổng $G$ Cơ chế dẫn điện của Triac
$(+)$ $(+)$ Dòng kích thuận, Triac mở dẫn dòng theo chiều dương thuận lợi
$(+)$ $(-)$ Triac mở theo cơ chế dòng cổng âm
$(-)$ $(-)$ Điện tử từ $N_3$ phóng vào $P_2$, hạ thấp barie tiếp giáp, Triac mở dẫn dòng âm
$(-)$ $(+)$ Triac mở theo cơ chế dòng cổng dương
  • Yêu cầu kỹ thuật đối với mạch điều khiển: Độ rộng xung điều khiển $t_x < 10,\mu\text{s}$, độ dốc sườn trước $\frac{di_{DK}}{dt} \ge 0{,}1\text{A}/\mu\text{s}$, đảm bảo tính đối xứng xung, khử nhiễu cảm ứng và hạn chế ảnh hưởng của dao động nhiệt độ nguồn.
  • Giới thiệu IC TCA785: Vi mạch 16 chân do Siemens chế tạo, tích hợp toàn bộ các khâu đồng pha (chân 5 $V_{SYNC}$), tạo răng cưa (chân 9 $R_9$, chân 10 $C_{10}$, chân 8 $V_{REF}$), so sánh điều khiển (chân 11 $V_{11}$), tạo độ rộng xung (chân 12 $C_{12}$) và ngõ ra xung công suất $250\text{mA}$ tại chân 14 ($Q_1$), chân 15 ($Q_2$).
  • Phần tử cách ly MOC3021: Optocoupler chuyên dụng ghép nối điều khiển Triac, phát hiện điểm không (zero-crossing), điện áp cách ly lên tới $7500\text{V}$, điện áp chịu đựng ngõ ra $400\text{V}$, ngăn chặn điện áp đỉnh đột ngột làm hỏng tải.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH

Chương 2 tập trung vào việc tính toán giải tích chi tiết từng phần tử của mạch động lực, mạch bảo vệ, mạch điều khiển, mạch nguồn và mạch cách ly:

  • Tính chọn linh kiện mạch động lực:

    • Thông số tải quạt: $P_{đm} = 30\text{W}$, $U_{đm} = 220\text{V} \Rightarrow I_{đm} = \frac{P_{đm}}{U_{đm}} = \frac{30}{220} = 0{,}14\text{A}$.
    • Điện áp ngược cực đại: $U_{ng\max} = \sqrt{2} \cdot 220 = 311{,}13\text{V}$.
    • Điện áp ngược van cần chọn với hệ số dự trữ $K_{dtU} = 1{,}7$: $U_{ng.van} = 1{,}7 \cdot 311{,}13 = 528{,}92\text{V}$.
    • Dòng làm việc định mức qua van với chế độ làm mát cánh tản nhiệt $A = 25%$: $I_{lv} = 25% \cdot I_{đm.van} \Rightarrow$ chọn Triac BT136-600E có thông số định mức $U_{th\max} = 600\text{V}$, $U_{ng\max} = 600\text{V}$, dòng hiệu dụng cực đại $I_{T(RMS)} = 25\text{A}$, dòng trung bình $I_{T(AVG)} = 7{,}5\text{A}$, sụt áp $U_{dẫn} = 1{,}5\text{V}$, dòng cổng kích $I_{Gđk} = 50\text{mA}$, thời gian mở $T_{on} = 2,\mu\text{s}$, thời gian khóa $T_{off} = 70,\mu\text{s}$.

  • Tính toán thiết bị bảo vệ:

    • Bảo vệ quá nhiệt: Tổn thất công suất trên Triac $p = \Delta U \cdot I_{lv} = 1{,}5 \cdot 0{,}91 = 1{,}36\text{W}$. Chọn nhiệt độ môi trường $T_{mt} = 30^\circ\text{C}$, nhiệt độ cho phép $T_{cp} = 110^\circ\text{C}$, nhiệt độ cánh tản nhiệt $T_{lv} = 70^\circ\text{C} \Rightarrow \tau = 40^\circ\text{C}$. Với hệ số tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ $K_m = 8\text{ W/m}^2$, diện tích bề mặt tản nhiệt tính được là: $$S_{TN} = \frac{p}{K_m \cdot \tau} = \frac{1{,}36}{8 \cdot 40} = 42{,}5\text{ cm}^2$$ Tác giả lựa chọn cánh tản nhiệt nhôm 6 cánh tiêu chuẩn kích thước $20\times 15\times 10\text{ mm}$.
    • Bảo vệ ngắn mạch: Sử dụng dây chảy tác động nhanh nhóm 1CC có dòng định mức $I_{1CC} = 1{,}1 \cdot 1{,}36 = 1{,}49\text{A} \Rightarrow$ chọn cầu chì tác động nhanh loại $2\text{A}$.

  • Tính toán mạch điều khiển tạo xung TCA785:

    • Nguồn nuôi vi mạch: $U_S = +15\text{V DC}$. Dòng đồng bộ $I_S = 200,\mu\text{A}$, chọn điện trở đồng pha $R_{đp} = 1\text{ M}\Omega$.
    • Mạch tạo răng cưa: Chọn tụ điện $C_{10} = 47\text{ nF}$, điện trở $R_9 = 22\text{ k}\Omega$, biến trở tinh chỉnh $VR_1 = 100\text{ k}\Omega$, biến trở điện áp điều khiển $VR_2 = 10\text{ k}\Omega$ để xác lập tần số làm việc $f = 10 \div 500\text{Hz}$ và điện áp điều khiển $U_{11} = -0{,}5 \div (U_S - 2)\text{V}$.

  • Tính toán khối nguồn nuôi:

    • Biến áp nguồn $220\text{VAC} / 15\text{VAC} - 1\text{A}$. Cầu Diode KBP206 ($U_{ng\max} = 600\text{V}$, $I_{DAV} = 2\text{A}$).
    • Điện áp sau chỉnh lưu $U_d = 0{,}9 \cdot 15 = 13{,}5\text{V}$, điện áp đỉnh sau lọc tụ $U_{dc} = \sqrt{2} \cdot 15 = 21{,}21\text{V}$. Chọn tụ hóa lọc nguồn $C_1 = 470,\mu\text{F}/25\text{V}$.
    • IC ổn áp LM7815 cho ra điện áp chuẩn $+15\text{V DC}$, tụ lọc ngõ ra $C_3 = 100,\mu\text{F}/25\text{V}$, các tụ gốm $C_2, C_4 = 104$ đảm bảo lọc nhiễu tần số cao.

  • Tính toán khối cách ly MOC3021:

    • Biên độ xung điều khiển ngõ ra TCA785: $V_{14,15} = V_S - 2{,}5 = 15 - 2{,}5 = 12{,}5\text{V}$.
    • Với thông số LED hồng ngoại ngõ vào MOC3021 ($V_{LED} = 1{,}5 \div 3\text{V}$, $I_{LED} = 15\text{mA}$), điện trở hạn dòng ngõ vào được tính toán trong dải $633 \div 730,\Omega \Rightarrow$ chọn giá trị chuẩn $R_{LED} = 680,\Omega$.
    • Với dòng kích cực G của Triac $I_{Gđk} = 50\text{mA}$ và điện áp nguồn $220\text{V}$, chọn điện trở hạn dòng ngõ ra $R_G = 470,\Omega$.

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MẠCH

Chương 3 trình bày kết quả hiện thực hóa phần cứng và quy trình hiệu chỉnh mạch:

  • Thiết kế sơ đồ mạch in (PCB) và sơ đồ bố trí linh kiện: Thiết kế đường mạch in rõ ràng, tách biệt giữa khu vực công suất cao áp ($220\text{V AC}$) và khu vực điều khiển tín hiệu nhỏ ($+15\text{V DC}$), bố trí tản nhiệt nhôm cách ly với các linh kiện thụ động.
  • Thực nghiệm đo kiểm và hiệu chỉnh:
    • Kiểm tra điện áp tĩnh của khối nguồn ổn áp đạt $V_{CC} = 14{,}9\text{V}$.
    • Cân chỉnh biến trở phân áp để dải điện áp điều khiển $U_k$ tại chân 11 thay đổi chính xác từ $0\text{V}$ đến $10\text{V}$.
    • Sử dụng máy hiện sóng Oscilloscope đo kiểm tra dạng sóng răng cưa tại chân 10 của TCA785, điều chỉnh biến trở $VR_1$ để biên độ điện áp răng cưa đạt giá trị tuyến tính $V_{10} = 10\text{ V/div}$, đảm bảo mạch phát xung kích ổn định cho Triac trong toàn bộ dải góc mở từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng mạch điều áp xoay chiều một pha hoàn chỉnh sử dụng van bán dẫn Triac BT136-600E, vi mạch TCA785 và optocoupler MOC3021.
  • Điều khiển trơn và ổn định điện áp xoay chiều cấp cho tải quạt từ $0\text{V}$ đến $220\text{V AC}$ thông qua việc thay đổi điện áp điều khiển $U_k$ trong dải $0 \div 10\text{V}$, tương ứng góc kích mở $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.
  • Đảm bảo cách ly điện áp an toàn tuyệt đối giữa mạch điều khiển và mạch động lực thông qua tầng cách ly quang MOC3021 với độ bền cách ly $7500\text{V}$.
  • Tích hợp hệ thống bảo vệ hoàn chỉnh gồm tản nhiệt nhôm 6 cánh ($42{,}5\text{ cm}^2$) giữ nhiệt độ van dưới $70^\circ\text{C}$ và cầu chì tác động nhanh 2A bảo vệ ngắn mạch hiệu quả.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về phương pháp phối hợp IC chuyên dụng TCA785 với Triac, đưa ra quy trình tính chọn thông số giải tích rõ ràng từ đặc tính tải thực tế và phương pháp hiệu chỉnh thực nghiệm trên dao động ký, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo thực hành môn học Điện tử công suất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và kết quả thực hiện, đề tài còn một số hạn chế:

  • Hệ thống mới chỉ được thử nghiệm trên tải thuần trở công suất nhỏ ($30\text{W}$), chưa khảo sát trên các hệ truyền động động cơ xoay chiều có hệ số công suất thấp hoặc tải cảm kháng lớn ($R-L$).
  • Dải công suất bị giới hạn bởi định mức của Triac BT136 ($I_{T(RMS)} = 25\text{A}$), chưa áp dụng được cho các phụ tải công nghiệp dòng điện lớn trên $400\text{A}$.
  • Quá trình cắt điện áp theo góc pha $\alpha$ tạo ra sóng hài bậc cao tác động ngược trở lại lưới điện và làm biến dạng dòng điện tải.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Mở rộng mạch lực và thuật toán điều khiển cho các loại tải cảm công suất lớn hơn.
  • Nghiên cứu bổ sung các bộ lọc tích cực hoặc thụ động để triệt tiêu sóng hài bậc cao trên đường dây.
  • Ứng dụng vi điều khiển kỹ thuật số (MCU/DSP) để tạo xung và thiết lập hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop), tự động ổn định điện áp hoặc tốc độ động cơ theo tín hiệu phản hồi.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện tử, Điện - Tự động hóa, Kỹ thuật Điện lạnh & Dân dụng đang thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất hoặc Thiết kế mạch phần cứng.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu cần tài liệu hướng dẫn thực tế về phương pháp ứng dụng vi mạch TCA785, kỹ thuật ghép nối tầng cách ly quang MOC3021 và phương pháp tính toán bảo vệ nhiệt/ngắn mạch cho van bán dẫn công suất.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn van bán dẫn Triac thay vì sử dụng hai Thyristor mắc song song ngược?

Sơ đồ dùng hai Thyristor song song ngược tuy chịu được dòng tải lớn nhưng đòi hỏi hai kênh điều khiển riêng biệt, dễ phát sinh sai số linh kiện dẫn đến mất đối xứng điện áp tải, sinh ra thành phần dòng điện một chiều làm bão hòa mạch từ và nóng cháy cuộn dây tải. Van Triac tích hợp khả năng dẫn dòng hai chiều chỉ với một cổng điều khiển G duy nhất, giúp kết cấu mạch động lực và mạch phát xung gọn nhẹ hơn, đảm bảo dạng sóng điện áp ra đối xứng cho phụ tải công suất trung bình và nhỏ.

2. Vi mạch TCA785 đảm nhiệm những chức năng gì trong mạch điều khiển?

TCA785 là vi mạch phức hợp 16 chân do Siemens sản xuất, tích hợp 4 chức năng điều khiển cơ bản:

  1. Đồng bộ hóa pha với điện áp lưới tại chân 5 ($V_{SYNC}$);
  2. Tạo điện áp tựa răng cưa tuyến tính thông qua tụ $C_{10} = 47\text{ nF}$ và trở $R_9 = 22\text{ k}\Omega$;
  3. So sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển $U_k$ đưa vào chân 11;
  4. Phát xung kích mở công suất $250\text{mA}$ tại chân 14 ($Q_1$) và chân 15 ($Q_2$) với góc mở thay đổi từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.

3. Giá trị điện trở hạn dòng ngõ vào và ngõ ra của MOC3021 được tính chọn như thế nào?

  • Điện trở hạn dòng ngõ vào LED ($R_{LED}$): Biên độ xung kích từ TCA785 là $V_{14,15} = 15 - 2{,}5 = 12{,}5\text{V}$, sụt áp LED $V_{LED} = 1{,}5 \div 3\text{V}$, dòng kích $I_{LED} = 15\text{mA}$. Điện trở tính toán trong khoảng $633 \div 730,\Omega$, tác giả chọn giá trị chuẩn $R_{LED} = 680,\Omega$.
  • Điện trở hạn dòng cực G Triac ($R_G$): Với dòng kích cực đại $I_{Gđk} = 50\text{mA}$ và điện áp nguồn $220\text{V}$, điện trở hạn dòng ngõ ra được chọn là $R_G = 470,\Omega$.

4. Hệ thống bảo vệ cho Triac BT136-600E được tính toán dựa trên các thông số nào?

  • Bảo vệ quá nhiệt: Với tổn hao công suất trên van $p = 1{,}36\text{W}$, độ chênh nhiệt $\tau = 40^\circ\text{C}$ (chọn $T_{mt} = 30^\circ\text{C}, T_{lv} = 70^\circ\text{C}$) và hệ số tỏa nhiệt $K_m = 8\text{ W/m}^2$, diện tích tản nhiệt tính được là $S_{TN} = 42{,}5\text{ cm}^2$, tác giả chọn cánh tản nhiệt nhôm 6 cánh kích thước $20\times 15\times 10\text{ mm}$.
  • Bảo vệ ngắn mạch: Dòng tác động định mức của dây chảy nhóm 1CC tính được là $I_{1CC} = 1{,}1 \cdot 1{,}36 = 1{,}49\text{A}$, tác giả lựa chọn cầu chì tác động nhanh loại $2\text{A}$.

5. Quy trình hiệu chỉnh tham số mạch điều khiển trên máy hiện sóng được tiến hành ra sao?

Tác giả tiến hành qua hai bước: Đầu tiên, cấp nguồn nuôi và dùng đồng hồ điện tử kiểm tra $V_{CC} = 14{,}9\text{V}$, cân chỉnh biến trở phân áp tại chân 11 TCA785 để dải điện áp điều khiển $U_k$ đạt $0 \div 10\text{V}$. Tiếp theo, kết nối đầu đo máy hiện sóng Oscilloscope vào chân 10 của TCA785, điều chỉnh biến trở $VR_1$ để quan sát và xác lập biên độ đỉnh của xung răng cưa đạt chuẩn $V_{10} = 10\text{ V/div}$, đảm bảo tính tuyến tính của góc mở van trong toàn dải điều chỉnh.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo thực nghiệm mạch điều áp xoay chiều một pha sử dụng van bán dẫn Triac BT136-600E kết hợp vi mạch điều khiển TCA785 và tầng cách ly quang MOC3021. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống vận hành ổn định, cho phép điều chỉnh trơn điện áp tải từ $0\text{V}$ đến $220\text{V AC}$ tương ứng với dải điện áp điều khiển $0 \div 10\text{V}$. Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật ngành Điện - Điện tử trong việc thiết kế và ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất.