Giáo trình Điện tử công nghiệp (Mới nhất)

I1 I 2 (3.21) 
 R2 R2
 Suy ra Ur = -R2.Iv (3.22) 
 Đây là mạch biến đổi dòng - áp có đảo pha: Điện áp ra tỉ lệ với dòng vào. 
 R2 
 + 
 R1 
 - 
 Uv 
 Ủr 
 + 
 R3 - 
 Hình 3.19: Sơ đồ mạch biến đổi dòng - áp có đảo pha 
 47
 b, Khuếch đại không đảo 
 * Sơ đồ mạch điện 
 R
 2 
 + 
 R1 
 - 
 Ur 
 + 
 Uv 
 - 
 Hình 3.20: Sơ đồ mạch điện khuếch đại không đảo 
 * Nguyên lý hoạt động 
 Tín hiệu vào đưa vào đầu không đảo như hình vẽ. 
 Coi khuếch đại thuật toán là lý tưởng Zv = , nên Iv = 0 nên 
 R1
 U v U v = U- = Ur (3.23) 
 R1 R2
 R R R 
 1 2 2 
 Suy ra Ur = U v 1 U v (3.24) 
 R1 R1 
 R2
 KOA = 1+ (3.25) 
 R1
 - Khi R1= , R2 = 0 thì KOA =1 và Ur =Uv. Mạch khuếch đại không đảo trở thành 
mạch lặp lại điện áp. Tín hiệu áp ra lặp lại tín hiệu áp vào như hình vẽ sau. 
 + 
 Ur 
 - 
 Uv 
 - 
 U 
 Hình 3.21: Sơ đồ mạch điện lặp lại tín hiệu áp 
 48
- Mạch khuếch đại này còn gọi là khâu tỉ lệ. 
c, Khuếch đại cộng 
TH1: Khuếch đại cộng không đảo 
* Sơ đồ mạch điện 
 I R3 
 I1 
 R1 
 Uv1 
 + 
 - 
 I2 
 Uv2 
 Ur 
 R2 
 + 
 - 
 Hình 3.22: Sơ đồ mạch khuếch đại cộng không đảo 
* Nguyên lý hoạt động 
Coi khuếch đại thuật toán là lý tưởng Zv = , nên Iv = 0, thì 
 ’
 I = I1 + I2 và U- = U+ = 0. (3.26) 
Suy ra: 
 U v1 U U v2 U U U r
 ' (3.27) 
 R1 R2 R
 U v1 U v2 U r
 ' (3.28) 
 R1 R2 R
 R ' R ' 
 Ur = U v1 U v2 (3.29) 
 R1 R2 
 R'
 Đặt 
 Ri
Có: Ur = 1.U v1 2.U v2 (3.30) 
Hay tổng quát: Ur = -  iU vi 
 n
 ’
Nếu chọn R1 = R2 = R = .= R thì i = 1 và Ur = -  U vi (3.31) 
 i 1
TH2: Khuếch đại cộng không đảo 
 49
 * Sơ đồ mạch điện 
 R1 
 Uv1 + 
 + 
 Uv2 
 Ur 
 R2 
 - 
 - 
 R3 
 R4 
 Hình 3.23: Sơ đồ mạch khuếch đại cộng không đảo 
 * Nguyên lý hoạt động 
 Với mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng thì IV+ = Iv- = 0 ( vì Zv = ) nên U+ = U- 
 R
ta có: U- = U U (3.32) 
 R R ' r 
 Tại đầu vào (+): I1 + I2 = 0 (3.33) 
 U U U U
 v1 v2 0; (3.34) 
 R1 R2
 1 1 U U
 v1 v2
 U (3.35) 
 R1 R2 R1 R2
 R 1 1 U v1 U v2
 Ur (3.36) 
 ' 
 R R R1 R2 R1 R2
 R R '
 Suy ra: Ur = (R2U v1 R1U v2 ) (3.37) 
 R R1 R2 
 R'
 Đặt 
 R
 1 
 Có: Ur = (R2U v1 R1U v2 ) 
 R1 R2
 Chọn R1 = R2 thì 
 1 
 Ur = (U U ) hay tổng quát cho n đầu vào: 
 2 v1 v2
 1 n
 Ur = U vi (3.38) 
 2 i 1
 50
 d, Khuếch đại trừ 
 * Sơ đồ mạch điện 
 R3 
 + 
 R1 
 Uv1 
 - 
 Uv2 
 + 
 Ur 
 R2 
 R4 - 
 Hình 3.24: Sơ đồ mạch khuếch đại trừ 
 * Nguyên lý hoạt động 
 Tín hiệu vào đưa vào cả 2 đầu đảo và không đảo. Áp dụngbiểu thức điện áp trong 
2 trường hợp đảo và không đảo, với nguyên lý xếp chồng đầu ra ta có: 
 R R R ' R '
 U U 1 U (3.39) 
 r v2 R R R v1 R
 2 1 1
 U  U R 
 U R 
 ’ 
Chọn R = R1 và R = R2 thì ta có: 
 Ur = U v1 U v2 (3.40) 
Câu hỏi ôn tập, bài tập 
Bài 1: Thế nào là hệ số khuếch đại. Viết công thức và giải thích các hệ số khuếch đại và 
cho biết đặc điểm của các bộ khuếch đại. 
Bài 2: Hãy trình bày các chế độ làm việc của tầng khuếch đại. 
Bài 3: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại EC. 
Bài 4: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại CC. 
Bài 5: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại BC 
Bài 6: Trình bày các cách ghép giữa các tầng khuếch đại. Tại sao cần phải ghép giữa các 
tầng đó? 
Bài 7: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của mạch ghép tầng dùng tụ. 
Bài 8: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của mạch ghép tầng dùng máy biến áp. 
Bài 9: Nguyên nhân nào dẫn đến tín hiệu ra bị méo khi chuyển từ nửa chu kỳ này sang 
nửa chu kia ở bộ khuếch đại công suất chế độ B. 
Bài 10: Hãy kể tên một số ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán. 
 51
 CHƯƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 
Mục tiêu 
 - Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi điện áp 
xoay chiều. 
 - Nhận biết được các linh kiện trong bộ các bộ biến đổi điện áp xoay chiều. 
 - Đấu nối, vận hành và khảo sát được bộ biến đổi điện áp theo yêu cầu. 
 - Rèn luyện tính cẩn thận, nghiêm túc trong học tập. 
Nội dung chính 
 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều để điều khiển công suất tiêu thụ của các tải như lò 
nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận 
tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay) 
điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, may sấy). Bộ biến đổi 
điện áp xoay chiều còn được sử dụng trong hệ thống bù công suất phản kháng. 
4.1. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHI ỀU MỘT PHA 
 4.1.1. Trường hợp tải thuần trở (R) 
 V1 
 u ut 
 V2 
 R 
 a b 
 Hình 4.1: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải thuần trở 
 a, Sơ đồ; b, đồ thị mô tả trạng thái hoạt động 
 Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều 1pha dạng sin u = Um sinωt mắc nối tiếp với 
tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc xoay chiều bán dẫn gốm 2 SCR 
mắc song song và ngược chiều V1 và V2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay 
chúng bằng 1 triac. 
 Phân tích mạch 
 Trong khoảng từ (0÷α) dòng qua tải bị ngắt ta có: it = 0, ut = 0 (4.1) 
 Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì 
 uV1 = u – ut = u >0 (4.2) 
 52
 Tại thời điểm tương ứng góc X = α, xung kích IG1 đưa vào điều khiển V1 trong 
điều kiện có áp khóa làm V1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V1, R) 
Trạng thái V1. Các phương trình mô tả trạng thái V1 trong thời gian V1 dẫn (α ≤ X < π) 
 u V1 = 0 = - u V2 
 i V1 = it ; i V2 = 0 
  (4.3) 
 ut = - u V1 + u = u = UmsinX 
 ut = R . i  
 Tại X = π dòng qua V1 bị triệt tiêu. Lúc đó, dòng điện tải bằng không và ta có trạng 
thái không. 
 Các phương trình mô tả trạng thái 0 
 it = i V1 = i V2 = 0 
 u V1 = u - R. it = u (4.4) 
 u V2 = - u 
 Điện áp đặt trên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương – điện áp 
khóa, việc kích vào cổng của V2 trong khoảng (π+ α < X <2 π) làm v2 đóng 
 Các phương trình mô tả trạng thái V2 
 
 u = 0; i = - it 
 V2 V2 
 u V1 = - u V2 = 0 
 u V1 = 0  (4.5) 
 ut = u = UmsinX < 0 
 u 
 it = 0
 R  
Tại vị trí X = 2π dòng qua V2 bị triệt tiêu nên V2 bị ngắt mạch trở về trạng thái không. 
 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều khiển α 
 53
 Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vị (0, π ) điện áp tải có trị hiệu dụng biến 
thiên trong khoảng (0,U). Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều khiển α được vẽ 
trên hình 4.2 
 Trị hiệu dụng dòng điện qua tải 
 U t
 It = (4.6) 
 R
 Hệ số công suất 
 P U 2 / R
 PF = t (4.7) 
 F U.It
 Dòng điện trung bình qua SCR 
 1 U U
 I m sin xdx m 1 cos (4.8) 
 VAV 
 2 R 2 R
 Trị hiệu dụng dòng điện qua SCR. 
 I
 I t (4.9) 
 VMRS 2
4.1.2. Trường hợp tải thuần cảm ( L) 
 V 
 u 1 ut 
 V
 2 L 
 a 
 b 
 Hình 4.3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải thuần cảm 
 a, Sơ đồ; b, đồ thị mô tả trạng thái hoạt động 
 Ta phân biệt 2 trường hợp điều khiển góc α 
a, Góc điều khiển α > 
 2
 - Trạng thái 0: Trong khoảng trước vị trí góc kích α dòng tải bị gián đoạn. Các 
phương trình và hệ thức mô tả trạng thái không có dòng điện: 
 54
 it 0 
 di 
 ut = L t = 0 
 dt  (4.10) 
 i = i = 0 
 V1 V2 
 u V1 = - u V2 = u > 0 
 Trạng thái V1 (α < X < 2 π - α) 
 Tại vị trí X = α , V1 được kích trong lúc có tác dụng của điện áp khóa nên đóng. 
Dòng điện khép kín qua mạch (u, V1, L). Trạng thái mạch điện được biểu diễn bởi hệ 
thức và phương trình sau: 
 u V1 = 0 
 i = it 
 V1 
 ut = u = UmsinX (4.11) 
 di
 ut = L. t 
 dt  
 Từ điều kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình ta thu được nghiệm 
 U m
 it (X) = cos cos X (4.12) 
 .L
 - Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí X = 2 π – α. Do 
iV1 = it nên tại vị trí vừa nêu dòng qua V1 cũng bị ngắt. 
 Trạng thái 0 khoảng (2 π – α < X < π + α) 
Sau khi dòng qua V1 bị ngắt, mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình 
mô tả mạch điện: 
 it = 0; ut = 0 
 i V1 = i V2 = 0  (4.13) 
 u V1 = - u V2 < 0
 Trạng thái V2 (π + α < X < 3 π - α) 
 Tại vị trí X = α + π xung kích đưa vào V2 trong lúc V2 chịu tác dụng điện áp khóa 
nên V2 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u,V2, L). 
 Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V2. 
 u V2 = 0; i V2 = - it 
 (4.14) 
 di t 
 ut = u; ut = L . 
 dt 
 Giải phương trình dòng điện với it(π + α) = 0 ta được nghiệm dòng điện tải 
 U m
 it (X) = cos cos X  (4.15) 
 .L
 - Dòng điện qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0. tại đây 
V2 cũng bị ngắt mạch trở về trạng thái không. 
 Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển < α < π, ta có: 
 2
 + Dòng qua tải bị gián đoạn 
 + Trị hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải bằng hình 4.3 
 55
 1 1
 2 2
 1 2 sin 2 2
 Ut = U .sin X dX U 1 (4.16) 
 m m 
 2 
 + Trị hiệu dụng dòng điện qua tải 
 1 1
 2 
 2 2
 1 2 U 2 3 
 It = i .dx 2 1 .1 2cos sin 2 (4.17) 
 t 
 .L 
 Trong ứng dụng với tải L, thành phần cơ bản dòng điện có ý nghĩa quan trọng 
 U m 2 1 
 IL(t)m(α) = 2 sin 2 (4.18) 
 .L 
 Mạch hoạt động như 1 tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích: 
 Vm .L
 XL(α) = (4.19) 
 I 2 1 
 L t m 2 sin 2 
b, Góc điều khiển α < 
 2
 Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch sẽ hoạt động như một công tắc ở 
trạng thái luôn đóng. Các linh kiện V1, V2 lần lượt dẫn điện với khoảng dẫn của mỗi linh 
kiện bằng π. Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích vào linh kiện từ vị trí 
α = , dòng điện lệch pha so với điện áp 1 góc φ = . Xung kích cần tạo thành dưới 
 2 2
dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí góc α và kết thúc tại cuối nửa chu kỳ tương ứng với áp 
nguồn xoay chiều. 
 Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0, V1 bị ngắt. tại vị trí này trên V2 xuất 
hiện điện áp khóa, do có xung kích tác dụng lên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo 
chiều ngược lai. Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điêm O một cách liên tục. 
Hệ quả: Với tải L, khi α < bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở 
 2
trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều. 
Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L vẽ như hình 4.2 
 4.1.3. Trường hợp tải RL 
 Tương tự như tải L, mạch hoạt động phụ thuộc vào góc điều khiển α. Giá trị phân 
biệt ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn góc φ trong trường hợp tải RL, φ = 
 2
arctg(L ) 
 R
 Trường hợp α > φ dòng điện tải bị gián đoạn. Chu kỳ hoạt động được chia làm 4 
khoảng tương ứng 4 trạng thái sau: 
 Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1. 
 56
 it = 0; ut = 0 
 i V1 = i V2 = 0  (4.20) 
 u V1 = - u V2 = u > 0
 Trạng thái V1: V1 được kích dẫn 
 di 
 ut = u; ut = R.i + L t . 
 dt  (4.21) 
 i V1 = it ; u V1 = - u V2 = 0 
 Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2: 
 it = 0; ut = 0 
 i V1 = i V2 = 0  (4.22) 
 u V1 = - u V2 = u < 0
 Trạng thái V2: V2 được kích dẫn 
 
 u = - u = 0 
 V1 V2 
 i V2 = - it; ut = u  (4.23) 
 di 
 ut = R.i + L t . 
 dt 
 Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng 
 R
 X 
 Um .L
 it = iV1= = sin X sin e (4.24) 
 Z 
 Z = R 2 L 2 (4.25) 
 Dòng điện qua tải bị gián đoạn 
 Trường hợp α < φ : Dòng tải liên tục. Điện áp tải không điểu khiển được. Bộ BBĐ 
hoạt động như 1 công tắc luôn đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trị hiệu 
dụng bằng U.. Xung kích cho linh kiện được kích dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí 
góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của nguồn áp xoay chiều. 
 Đặc tính Ut (α) phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữa đặc tính tải 
thuần trở và tải thuần cảm. 
 Tính chất tương tự khi hoạt động tải với tải R, L, RL được trình bày ngắn gọn trong 
bảng 4.1 
Bảng 4.1 
 Quan hệ tổng R L RL Tính chất 
 quát 
 L φ = 0 L Φ góc đặc trưng 
 arctan arctan 
 R 2 R của tải 
 α > φ α > 0 L Dòng tải gián 
 Α > arctan 
 2 R đoạn 
 57
 α < φ L Dòng tải liên tục 
 α < arctan 
 2 R
4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHI ỀU BA PHA 
 4.2.1. Trường hợp tải thuần trở R 
 V1 
 u1 
 ut1 
 V4 
 R 
 V3 
 u2 ut2 
 V6 
 R 
 V5 
 u3 ut3 
 V2 
 R 
 Hình 4.4: Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải thuần trở 
 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ hình 4.4 có cấu tạo gồm 3 công 
tắc bán dẫn, đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. 
Khi công suất tải nhỏ, các cặp công tắc dùng thyristor có thể thay bằng triac. 
 Phân tích BBĐ ĐAXC 3 pha, ngay cả trường hợp tải thuần trở rất phức tạp vì việc 
theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trng mạch rất khó. Dạng sóng điện áp và dòng 
điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải 
thuần trở. Ngày nay, việc phân tích được mô phỏng phần mềm máy tính. 
 Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình BBĐ phụ thuộc góc điều 
khiển ứng với các tải R, được vẽ trên hình 4.5 
 Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều khiển α được vẽ trên hình 4.6b 
 a b 
 58
 c 
 Hình 4.5: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải thuần trở 
 a, α = 300 
 b, α = 750 
 c, α = 1200 
 4.2.2. Trường hợp tải thuần cảm L 
 Phân tích tương tự bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải thuần trở. Dạng sóng 
điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc độ lớn góc điều khiển và các tham 
số mạch tải. Vậy việc phân tích được mô phỏng phần mềm máy tính. 
 Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình bộ biến đổi phụ thuộc góc điều 
khiển ứng với các tải L được vẽ trên hình 4.6. 
 V1 
 u1 ut1
 V4 
 L 
 V3 
 u2 ut2
 V6 
 L 
 V5 
 u3 
 ut3 
 V2 
 L 
 a 
 b 
 Hình 4.6: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải thuần cảm 
 a, Sơ đồ; b, Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều khiển α 
 59
4.2.3. Trường hợp tải RL nối tiếp 
 Sơ đồ mạch điện trên hình 4.7 
 V1 
 u1 ut1 
 V4 
 R L it1 
 V3 
 u2 ut2 
 V6 
 R L it2 
 V5 
 u3 ut3 
 V2 
 it3 
 R L 
 Hình 4.7: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải RL nối tiếp 
 Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình BBĐ phụ thuộc góc điều 
khiển ứng với RL được vẽ trên hình 4.8 
 b, 
 a, 
 60
 c, 
 Hình 4.8: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải RL mắc nối tiếp 
 a, α = 300 
 b, α = 750 
 c, α = 1200 
Câu hỏi ôn tập, bài tập 
Bài 1: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều một 
pha tải thuần trở. 
Bài 2: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều một 
pha tải thuần cảm. 
Bài 3: Vẽ sơ đồ, trình bày nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha 
tải thuần trở. 
 61
 Tài liệu tham khảo 
[1] Giáo trình điện tử công suất - Trần Trọng Minh - Vụ trung học chuyên nghiệp dạy 
nghề - Nhà xuất bản giáo dục. 
[2] Giáo trình điện tử công nghiệp - Vũ Quang Hồi -Vụ giáo dục chuyên nghiệp - Nhà 
xuất bản giáo dục. 
[3] Điện tử công suất - Hoàng Hữu Thận - NXB đại học và trung học chuyên nghiệp. 
 62