🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình nguồn điện thông tin Ebooks Nhóm Zalo TÔNG CÔNG TY Bưu CHÍNH VIEN t h ô n g việt n a m G ỉ á o t r i n h (DÙNG CHO CÁC TRƯÒNG CÔNG NHÂN Bưu ĐIỆN - HỆ 18 THÁNG) NHÁ XUÃT BÁN BƯU ĐIỆN Giáo trình NGUỒN ĐIỆN THÔNG TIN (DÙNG CHO CÁC TRUÔNG CỔNG NHÂN Bưu ĐIỆN ■ HỆ 18 THÁNG) TỔNG CÔNG TY Bưu CHÍNH VlỄN th ô n g việt nam Giáo trình NGUỒN DIỆN THÔNG TIN (DÙNG CHO CÁC TRƯÒNG CÔNG NHÂN Bưu ĐIỆN - HỆ 18 THÁNG) BIÊN SOẠN: Lê Quang Vị Trường Công nhân Bưu điện I NHÀ XUẤT BẢN BƯU ĐIỆN Hà Nội, tháng 7 nâm 2003 I Mã số: GC 21 HM 03 LỜI NÓI ĐẦU Bưu chính Viễn thông được coi là hạ tầng thiết yếu cho sự phát triển của nền kinh tế. Với những nỗ lực của toàn thể cán bộ công nhân viên ngành Bưu điện, hơn 10 năm qua Bưu chính Viễn thông Việt Nam đã có những bước phát triển rất to lớn theo kịp với sự phát triển của khu vực và quốc tế. Một trong những yếu tô có tính quyết định đến sự thành công nêu trên là yếu tố con người, trong đó những người công nhân, giao dịch viên Bưu điện (những người trực tiếp lắp đặt, bảo dưỡng, vận hành mạng lưới, phát triển dịch vụ; trực tiếp tiếp xúc, giao dịch với khách liàng) đã, đang và sẽ đóng góp pliần quan trọng vào sự thành công chung của toàn Ngành. Để có đội ngũ công nhân Biãi điện yêu nghề, có hiểu biết và có tay nghề vững đáp íũig được những yêu cầu trong thời kỳ hội nhập và cạnh tranh, thì việc đào tạo tại các trường công nhân Biũi điện cần được đổi mới và nâng cao chất lượng theo kịp với yêu cầu của hoạt động sởn xuất kinh doanh của Tổng Công tỵ, trong đó đặc biệt coi trọng việc đổi mới và thống nhất giáo trình trong các trường công nhân Bưu điện. Thực hiện mục tiêu trên, Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam phối hợp cùng Nhà xuất bản Bưu điện xuất bản bộ giáo trình công nhân, thống nhất sử dụng làm tài liệu giảng dạy và học tập tại các trường công nhân Biãi điện kể từ năm học 2002. Bộ giáo trình này được biên soạn công phu từ những kiến thức và kinh nghiệm thực tê' giảng dạy nhiều năm của các thầy cô giáo đang giảng dạy tại các trường công nhân Bưu điện, đã được thông qua trong hai lần hội thảo cấp Tổng Công ty với sự tham gia của cả bốn trường công nhân Bưu điện Giáo trình "Nguồn điện thông tin" gồm hai phần: Phần lý thuyết cung cấp những kiến thức cơ bản vê nguồn điện của các thiết bị điện, điện tử và viễn thông như: Nguồn điện một chiêu; biến áp, chỉnh lim và lọc nguồn; các mạch Ổn định nguồn điện; máy điện; động cơ đốt trong. Phần thực hành cung cấp những kiến thức, kỹ năng và phương pháp bảo dưỡng, bảo quản, sửa chữa các thiết bị nguồn thông thường như ắc qui, pin mặt trời, thiết bị cấp nguồn, động cơ điện không dồng bộ, máy điện đồng bộ, máy biến áp, máy phát điện. Đôi với mỗi loại thiết bị đêu có các hình vẽ minh họa về cấu tạo, cách bảo quản sử dụng rất chỉ tiết, dễ hiểu. Trong quá trình biên soạn khó tránh khỏi những thiếu sót, Tổng Công ty rất mong nhận được những ý kiến xây dựng của các thầy giáo, cô giáo, các em học sinh và các bạn đọc để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Các ý kiến xây dựng xin gửi về Ban TỔ chức Cán bộ - Lao động, Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam, 18 Nguyễn Du - Hà Nội. Trân trọng cám ơn. TỔNG CÔNG TY BUƯ CHÍNH VlỄN t h ô n g v ệ t n a m Phần 1 LÝ THUYẾT NGUỒN ĐIỆN THÔNG TIN Chương i ề- Những vấn đề chung về nguôn điện thông tinf\ Chương 1 I. VỊ TRÍ VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA HỆ THỐNG CẤP NGUỔN Nguồn điện (hay năng lượng điện) đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi ngành kinh kế cũng như trong đời sống con người, đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin liên lạc, nguồn điện giữ vai trò càng quan trọng hơn, vì nếu mất nguồn điện thì sẽ mất thông tin, sẽ ảnh hưởng đến mọi ngành kinh tế và an ninh quốc gia, vì vậy duy trì cấp nguồn điện liên tục cho các hệ thống thông tin là yêu cầu vô cùng quan trọng. Hầu hết các thiết bị thông tin đều sử dụng năng lượng của dòng điện 1 chiều, nguồn điện này phải bảo đảm yêu cầu về độ ổn định, nếu phạm vi ổn định càng rộng, độ ổn định càng cao thì chất lượng thông tin càng tốt, thiết bị làm việc càng tin cậy và thời gian làm việc càng kéo dài. Do đó, khi tổ chức mạng cấp nguồn cho các hệ thống thông tin phải bảo đảm các yêu cầu sau: - Cần phải cung cấp công suất liên tục, ổn định với độ tin cậy cao trong một thời gian dài và không phụ thuộc vào lưu lượng thông tin. - Các thiết bị cấp nguồn phải có khả năng hoạt động độc lập cao trong suốt thời gian làm việc của nó trong điều kiện khó khăn về môi trường, thời tiết. - Các thiết bị cấp nguồn phải có độ tin cậy cao, năng lượng dự trữ đủ lớn và được sự giám sát hoạt động từ xa. - Độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị cấp nguồn nên tương hợp với các thiết bị thông tin. Điều này có nghĩa là nên thiết kế các hệ thống cung cấp nguồn sao cho sự cố do hệ thống nguồn cũng tương hợp với sự cố do các thiết bị khác của trạm thông tin. - Các thiêt bị cấp nguồn phải được lắp đặt hệ thống bảo vệ sự cố có độ tin cậy cao, đồng thời hệ thống cấp nguồn phải dễ lấp đặt, bảo dưỡne, thay thế khi sửa chữa và giá thành hạ. Có thể cấp nguồn bằng dòng điện một chiều liên tục. Nhưng trong một trạm thông tin thường có máy vi tính, máy điều hoà nhiệt độ và các yêu cầu khác cho nên 10 Giáo trình Nguồn điện thông tin hầu hết dùng dòng điện xoay chiều, khi có thiết bị cần dòng điện một chiều thì người ta dùng các bộ nắn điện để cung cấp, sau đây ta sẽ nghiên cứu phương thức cấp nguồn. II. CÁC PHƯƠNG THỨC CẤP NGUỔN CHO TRẠM VIEN t h ô n g Phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thông phải bảo đảm được yêu cầu về tính liên tục và về độ ổn định cao, do đó người ta thường dùng hệ thống cấp nguồn tổ hợp, hộ thống cấp nguồn tổ hợp được phân làm hai loại, đó là hệ thống cấp nguồn có điện lưới quốc gia và hệ thống cấp nguồn không có điện lưới quốc gia. l ề Hệ thông cấp nguồn có mạng điện quốc gia Đối với các hệ thống thông tin đặt ở nơi gần với đường dây điện lực thì phương án tối ưu là sử dụng lưới điện quốc gia làm nguồn cung cấp chính cho hệ thống thông tin, đổng thời kết hợp với nguồn dự phòng là dùng tổ máy nổ phát điện và tổ ắc qui, sơ đồ hệ thống cung cấp điện như hình 1.1. Máy biến áp — OD AC1 Cầu __ DC , Thiết bị - 1 dao ^ 2 ngả Máy phát điện ~ ự Ăc qui ; í Đường vòng AC viễn thông AC2 Thiết bị phụ Hình 1.1 Hệ thống cấp nguồn tổ hợp Hộ thống này nhận năng lượng điện từ 2 nguồn. Nguồn điện chính là nguồn do lưới điện quốc gia cung cấp, nguồn dự phòng là nguồn do tổ máy nổ phát điện cung cấp và tổ ắc qui. Để điều khiển 2 nguồn này, người ta dùng cầu dao hai ngả hoặc thiết bị tự động hoán chuyển đóng cắt, khi đóng cầu dao về vị trí I thì hệ thống nhận năng lượng điện do lưới điện quốc gia, còn khi đóng cầu dao về vị trí II thì hộ thống sẽ nhận năng lượng điện do máy phát điện cung cấp, khi cả 2 nguồn mất thì ắc qui sẽ cung cấp điện. Nguyên tắc chung về định cỡ: - Nguồn năng lượng do lưới điện quốc gia cung cấp phải qua một máy biến áp máy biến áp thường có điện áp ra là 380/220V, máy biến áp này phải có đủ dung lượng để cung cấp cho các thiết bị thông tin hoạt động và các yêu cầu sử dụng khác. Chương 1: Nhưng vấn đề chung về nguồn điện thông tin 11 - Máy phát điện cũng phải có điện áp cùng cấp với điện áp của máy biên áp, nghĩa là cũng có điện áp phát ra là 380/220V, ngoài ra máy phát điện cũng phải có đủ công suất cung cấp cho các thiết bị thông tin và một phần cho các nhu cầu sử dụng khác, nhưng cần phải tính toán cấn thận, tránh công suất quá lớn gây lãng phí vốn đầu tư. - Tổ ắc qui: tổ ắc qui sử dụng để bảo hiếm trong hoàn cảnh lưới điện quốc gia bị mất điện và hệ thống máy nổ phát điện gặp sự cố không phát điện được, vì vậy tổ ắc qui phái có đủ dung lượng để cung cấp cho tải trong một thời gian nhất định cần thiết cho việc sửa chữa ít nhất cũng phải là 10 giờ. 2. Hệ thống cấp nguồn không có điện lưới quốc gia Đối với các trạm viễn thông đặt ở những nơi không có đường dây điện lực đi qua (như rừng núi, hải đảo) thì người ta thường tổ chức hệ thống cấp nguồn như hình l ế2 . Pin măt trời DC1 DC2 Hình 1.2 Hệ thống cấp nguồn tổ hợp không có điện lưới quốc gia Hệ thống này gồm có máy phát điện bằng sức gió, pin mặt trời và tổ máy nổ phát điện, mục đích của hệ thống này là lợi dụng các ưu điểm -của từng nguồn riêng rẽ để thu được một hệ thông có hiệu suất kinh tế nhất và có lợi dụng triệt để các điều kiện địa lý tại nơi đặt trạm, bổ sung và hỗ trợ cho nhau. Sử dụng hệ thống cấp nguồn tổ hợp này với bộ khởi động có độ tin cậy cao thì sẽ giảm được công suất điều chỉnh cần thiết và giảm được dung lượng của bộ ắc qui. Định cỡ hệ thống: - Pin mặt trời gồm các mô đun đấu nối tiếp và song song để đạt công suất yêu cầu và phối hợp với các nguồn năng lượng khác trong hệ thông khi có nấng, pin mặt 12 Giáo trình Nguồn điện thông tin trời bảo đảm việc cung cấp năng lượng, nếu có dư thừa năng lượng thì được tích trữ vào tổ ắc qui. - Máy phát điện bằng sức gió: máy phát điện bằng sức gió không làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng trực tiếp cho các thiết bị thông tin mà chỉ làm nhiệm vụ nạp điện cho ắc qui, do đó dung lượng (công suất) của máy phát điện bằng sức gió có thể giảm nhỏ so với tổng công suất của tải. - Máy nổ phát điện cho các thiết bị thông tin và ắc qui tránh quá áp và thấp áp thì phải có bộ thiết bị xử lý công suất và thiết bị điều khiển để giám sát hệ thống. Sự hoạt động của hệ thống này như sau: Bình thường thì pin mặt trời, máy phát điện bằng sức gió và ắc qui cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị viễn thông, còn máy phát điện của tổ động cơ máy phát chỉ làm nhiệm vụ dự phòng, năng lượng dư sẽ được tích trong ắc qui, trong thời gian mà năng lượng nắng, gió không đủ cung cấp cho 2 máy phát điện ngẫu nhiên (pin mặt trời và máy phát điện bằng sức gió) thì ắc qui phóng điện cho tải, nếu hoàn cảnh này kéo dài, ắc qui phóng tới mức tối thiểu cho phép thì tổ máy nổ phát điện được khởi động sẽ phát điện cấp cho tải và nạp lại điện cho ắc qui, tổ máy nổ phát điện sẽ đóng góp khoảng từ 5 đến 30% tổng số năng lượng/năm cần thiết cho trạm. Trên đây là hai phương thức cấp nguồn tổ hợp hiện đang và sẽ được dùng nhiều. Tuy nhiên, tuỳ tình hình cụ thể của các khu vực đặt trạm viễn thông mà người ta có thể kết hợp các nguồn sao cho vừa bảo đảm cung cấp điện liên tục, lại phải bảo đảm tính kinh tế. Câu hỏi ôn tập 1. Hãy cho biết vị trí và tầm quan trọng của hệ thống cấp nguồn cho trạm viễn thông? Nêu các yêu cầu của hệ thống cấp nguồn. 2. Trình bày các phương thức cấp nguồn cho trạm viễn thông? Ưu khuyết điểm và phạm vi ứng dụng của từng hệ thống. Chương 2: Nguồn điên một chiều 13 Chương 2 NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỂU I. PIN 1. Khái niệm Pin là nguồn điện hoá học, làm nhiệm vụ biến đổi hoá năng thành điện năng. Pin có nhiều loại, trong đó pin Vôn-ta là chiếc pin đầu tiên do Vôn-ta nhà bác học người Ý sáng chê ở đầu thế kỷ XIX, sau đó người ta chế tạo ra nhiều loại pin khác nhau như pin khô (pin Lơ clăng-sê) và pin không khí được dùng nhiều trong thực tế. 2. Các loại pin a) Pin Vôn-ta - Cấu tạo: Pin Vôn-ta gồm bình điện phân đựng dung dịch axít Sunfuaric H2S04 có nhúng 2 thanh kim loại khác loại làm điện cực, gồm thanh đổng làm cực dương và thanh kẽm làm cực âm (hình 2 .1). 14 Giáo trình Nguồn điện thông tin - Nguyên lý hoạt động Kẽm là kim loại đứng trước hiđro trong dãy Bê-kê-tốp nên sẽ tác dụng với axít và tan dần vào dung dịch, khi đó muối kẽm điện ly hình thành các ion dương Zn++ề Phản ứng ở cực kẽm là: Zn = Zn++ + 2e" Zn++ đi vào dung dịch, còn các điện tử e' ở lại cực kẽm, kêt quả là cực kẽm tích điện âm, dung dịch tích điện dương, giữa cực kẽm và dung dịch có một điện trường và một hiệu điện thế. Điện trường này có tác dụng ngăn cản ion dương kẽm tan vào dung dịch, đên mức độ nào đó, có sự cân bằng, hiệu điện thế giữa cực kẽm và dung dịch được duy trì ở trị số không đổi. Ở cực đồng, không có phản ứng giữa đổng và dung dịch nên không hình thành điện trường, đổng nhúng trong dung dịch nên có điện thế của dung dịch, tức là tích điện dương. Kết quả là giữa cực đổng và cực kẽm có một hiệu điện thế được duy trì và đó chính là sức điện động của pin. Sức điện động nàv vào khoảng 1,0V đối với pin Vôn-ta. Như vậy, nguyên nhân duy trì sức điện động của pin chính là công của lực hoá học. Muốn có sức điện động này thì 2 cực phải là 2 kim loại có hoạt tính hoá học khác nhau và kim loại hoạt động hơn sẽ là cực âm, kim loại kia sẽ là cực dương. Khi nối 2 cực của pin với điện kế G thì kim của điện kế G sẽ lệch đi báo hiệu trong mạch có dòng điện. Khi đó, các điện tử ở cực âm (cực kẽm) sẽ di chuyển về phía cực dương (cực đổng), điện trường giữa dung dịch và kẽm giảm đi, ion dương Zn++ lại tiếp tục tan vào dung dịch để duy trì điện thế (sức điện động) của pin. Cu Zn • Sự phân cực của pin: Trong quá trình pin làm việc, ion dương H+ di chuyển về cực đồng, tại đây chúng nhận điện tử từ cực dương do cực âm chuyên tới và trở Chương 2: Nguồn điên môt chiều 15 thành nguyên tử H, phân tử H2 bám xung quanh cực đồng làm thành một lớp ngăn không cho các ion dương H+ khác đến cực dương để thu điện tử nên sức điện động của pin giảm xuống rất nhanh và dòng điện cũng hết. Đó là sự phân cực của pin. Để tránh phân cực, người ta bao xung quanh cực dương một chất khử cực là những chất ôxy hoá mạnh để đốt cháy H2 sinh ra. Chất khử cực thường dùng là mangan đi-ôxít (M n02), người ta trộn lẫn bột M n02 với bột than (làm chất dẫn điện), cho vào túi rồi cắm thanh đổng làm cực dương vào giữa (hình 2.2). Khi pin làm việc, H2 sinh ra sẽ tác dụng với M nơ2 tạo thành nước, do đó tránh được hiện tượng phân cực. Phản ứng hóa học là: Ht + M n02 —» H20 + MnO? b) Pin Lơ cìăng-sê (Pin khô) Pin khô là pin Lơ clăng-sê được cấu tạo đặc biệt để tiện dùng trong thực tế (hình 2.3).is (1): Keo muối điện (2): Lớp chất khử cực (3), (5): Lớp các tông cách điện (4): Lớp đệm (6): Ống thông hơi (7): Nắp nhựa (8): Cực than làm cực dương (9); vỏ kẽm làm cực âm (10): Vỏ giấy Hình 2.3 Pin gồm vỏ bằng kẽm làm cực âm, trong là lớp keo, muối điện gồm tinh bột hoà trong dung dịch NH4C1 cấu thành dạng keo, ở giữa là cọc than dùng làm cực dương, xung quanh bao bởi một lớp khử cực gồm bột M n02 trộn với bột than để tăng tính dẫn điện, do làm việc ờ dạng ẩm nên điện trở trong của pin khô lớn hơn pin dung dịch, pin Lơ clăng-sê về nguyên lý làm việc tương tự như pin Vôn-ta. c) Pin không khí Pin không khí có cấu tạo tương tự như pin khô, chỉ khác là chất khử cực bao quanh cực khống dùng M n02mà dùng không khí. Do đó. lớp khử cực bao quanh cực 16 Giáo trình Nguồn điện thông tin dương (cọc than) là lớp than hoạt tính. Than hoạt tính có tính hút khí mạnh nên chứa một lượng không khí rất lớn. Khi pin làm việc, Hidro hình thành ở dạng nguyên tử sẽ bị ôxy của không khí đốt cháy, nên giảm được sự phân cực của pin, do pin không khí cần thời gian hút không khí để kịp khử cực, do vậy không nên dùng pin không khí làm việc với dòng điện lớn, đổng thời khi pin làm việc, cần mở các lỗ thông hơi trên nắp pin. 3. Các đại lượng của pin Để đặc trưng cho khả năng làm việc của pin, người ta qui định 3 đại lượng cơ bản sau: a) Sức điện động của pin là điện áp 2 cực của pin khi hở mạch, ký hiệu là E, pin khô có sức điện động khoảng 1,5V, pin không khí có sức điện động khoảng 1,1 V. b. Dung lượng của pin là lượng điện tích mà pin có khả năng phóng được. Gọi I là cường độ dòng điện phóng, t là thời gian phóng thì dung lượng của pin sẽ là: Q = I.t (A.h) (2-2) Trong đó: I tính bằng Ampe (A) t tính bằng giờ (h) A.h là ampe giờ, ampe giờ là dung lượng của pin phóng với dòng điện 1 ampe trong thời gian 1 giờ. lA.h = 1A X lh = 1A X 3600s = 3600C c) Dòng điện phóng cho phép là dòng điện phóng lớn nhất cho phép bảo đảm cho pin phóng đủ dung lượng qui định. Nếu pin phóng với dòng điện lớn hơn trị số cho phép thì dung lượng của pin giảm nhanh, vì khi phóng với I lớn, lượng hiđrô sinh ra nhiều, chất khử cực không kịp khử hết hiđrô sinh ra, làm tăng điện trở của pin dẫn đến I giảm và dung lượng giảm. 4. Sử dụng và bảo quản pin a) Sử dụng pin - Không được cho pin phóng điện với suất phóng lớn hơn qui định để tránh làm giảm thời gian sử dụng pin. Khi suất phóng điện lớn phải dùng nhiều pin nối song song để tăng dòng diện phóng, pin khô thường dùng suất phóng điện từ 75mA -r 125mA. Chương 2 ể. Nguồn điện một chiều 17 - Khi nối pin phải tính toán theo điện áp và dòng diện cần thiết, ngoài ra còn phái đảm bảo các yêu cầu sau: + Khi ghép nối tiếp các pin phải bảo đảm các pin có cùng dung lượng và cùng một dòng điện phóng. + Khi ghép song song các pin phải bảo đảm bảo các pin có cùng điện thế và cùng nội trở. + Khi ghép hỗn hợp các pin phải bảo đảm 2 điều kiện trên. b) Bảo quản pin - Pin phải đật ở nơi thoáng gió nhưng phải tránh ẩm và ánh sáng trực tiếp chiếu vào. - Pin phải được giữ luôn sạch sẽ, không được để bụi bẩn hoặc các vật khác rơi vào làm chập mạch. - Nhiệt độ trong phòng phải thích hợp, nóng quá sẽ làm tăng mức độ phóng điện nội bộ, dung dịch dễ bốc hơi, nếu quá lạnh sẽ làm dung dịch đóng băng. - Phải định kỳ kiểm tra các tổ pin, nếu phát hiện các mối nối lỏng lẻo, điện áp một vài pin bị sụt phải sửa và thay kịp thời. - Không nên đê’ pin quá lâu mà không đưa vào sử dụng vì pin mới sản xuất ra nếu để trong nửa năm thì dung lượng giảm 10%, sau 1 năm dung lượng giảm trên 30%. - Khi cất giữ pin không khí phải làm cho pin cách ly với không khí bên ngoài, đảm bảo các bộ phận của pin không bị nhiệt độ bên ngoài làm giảm tuổi thọ. II. ẮC QUI 1. Khái niệm Ac qui là nguồn điện hoá học có tính chất thuận nghịch vừa là nguồn điện, vừa là thiết bị dùng điện. Lúc đầu ắc qui được đóng vào nguồn điện (nạp điện, đê biến đổi điện năng thành hoá năng (quá trình tích điện) sau đó ắc qui dùng làm nguồn điện, cung cấp điện năng cho phụ tải (quá trình phóng điện). Điểm khác nhau giữa pin và ắc qui là: pin biến đổi hoá năng thành điện năng và chỉ phóng điện 1 lần rồi loại bỏ, còn ắc qui có khả năng 2 chiều (biến điện năng thành hóa năng rồi biến hóa năng thành điện năng và thực hiện nhiều chu kỳ nạp điện - phóng điện nên sử dụng được lâu dài. Hiện nay ắc qui được dùng phổ biến có 2 loại là: ắc qui chì hay ắc qui axít và ắc qui kền hay ắc qui kiềm, sau đây ta sẽ nghiên cứu (Ịt^ tụể 2 Ịoanrêĩr 7—Ị 18 Giáo trình Nguồn điện thõng tin 2ề Ac qui axít - chì a) Cấu tạo Gồm có các phần sau (hình 2.4): + Vỏ: Làm nhiệm vụ chứa đựng các thành phần cực bản, dung dịch điện phân, tấm cách, lưới bảo vệ, vỏ ắc qui thường dùng là nhựa cứng Polyvinyl hay Polyetylen. Vỏ ắc qui thường có dạng hình hộp chữ nhật hoặc hình vuông và được chia làm nhiều ngăn (thường là 3 hoặc 5 ngăn) tuỳ theo yêu cầu mức điện áp sử dụng, dưới đáy các ngăn có gờ nhỏ đê đỡ các tấm cực. đồng thời tạo nên các rãnh đế chứa đựng bột chì từ các tấm cực rơi xuống trong quá trình làm việc của ắc qui, tránh gây ngắn mạch cho ắc qui. Phía trên các ngăn của vỏ ắc qui có nắp đậy, mỗi nắp đều có lỗ để rót dung dịch và có nút xoáy. + Cực bản: cực bản của ắc qui axít là những tấm khung xương chì hình mắt lưới có từ 92 đến 96% chì nguyên chất và từ 6 - 8% ăngtimon đê tăng độ cứng, khung xương chì của cực dương (+) dày hơn khung xương chì của cực âm (-). + Cực bản dương là khung xương chì được đắp bột ôxít chì Pb30 4, sau đó được nạp điện trong dung dịch điện phân loãng cho đến khi chất hữu hiệu biến thành đioxít chì PbCK có mầu nâu xẫm. + Cực bản âm là khung xương chì được đắp bột ôxít chì PbO, sau đó cũng được điện hóa (nạp điện), trong dung dịch điện phân dể trở thành chì xốp Pb có màu xám trắng. (1): Vỏ bình \ '“V ~ (2): Lô rót dung dich (có nắp) (°) ~ ~ (3): Cọc điện cực (7) (4): Nắp đậy (5): Đai cọc (9) (6): Giá đỡ bản cực (7): Cực bản dương (8): Lá cách điên (10) (9): Cực bản àm (10): Gờ đáy bình Hình 2.4 Cấu tạo ắc qui axít chì Chương 2: Nguồn điện một chiều 19 Để tăng dung lượng của ắc qui, người ta dùng nhiều bản cực đấu chung với 1 thanh dần điện bằng chì tạo thành 1 cụm bản cực, các tấm bản cực (+) và (-) được cài xen kẽ nhau, giữa chúng được đặt 1 tấm cách điện. + Tấm cách điện (tấm ngăn) có tác dụng cách điện giữa các tấm bản cực khác tên đặt cạnh nhau trong các ngãn. Các tấm ngăn phải chịu được sự ãn mòn của axít như nhựa, thuỷ tinh. + Dung dịch điện phân: có nhiệm vụ cùng với các bản cực tạo nên phản ứng hoá học để thực hiện việc chuyển hoá nãng lượng từ điện nãng thành hóa năng (khi ắc qui được nạp điện) và từ hoá năng thành điện năng (khi ắc qui phóng điện). Dung dịch điện phân là axít sunfuaric (H2S04) pha với nước cất có tỉ trọng từ 1,24 1,26, mùa đông thì lấy lớn hơn mùa hè. + Lưới bảo vệ: có tác dụng ngăn chặn các hạt bụi bẩn lớn hay các mẩu kim loại rơi vào các ngăn làm chạm, chập ắc qui, lưới bảo vệ được đặt phía trên các tấm cực trong các ngăn, nó là những tấm nhựa cách điện hình mắt lưới, chịu được sự ãn mòn của axítễ b) Nguyên lý phóng nạp điện của ắc qui axít + Quá trình phóng điện: Khi nối 2 cực của ắc qui đã được nạp no với phụ tải, chẳng hạn bóng đèn (hình 2.5) thì ắc qui sẽ cho dòng điện qua tải như pin (còn gọi là ắc qui phóng điện) dòng điện này sẽ đi từ cực âm về cực dương trong nguồn. H+ theo chiều dòng điện về cực dương, ion âm SO4 ■ về cực âm. Ip Hình 2.5 Ac qui phóng điện Như vậy, dòng điện trong ắc qui sẽ chạy từ cực (-) về cực (+), còn điện ở mạch ngoài thì có chiều ngược lại từ (+) về cực (-). 20 Giáo trình Nguồn điện thông tin ở cực dương. H+ tác dụng với chì điôxít (có H2S04 tham gia) tạo thành chì sunphát và thu điện tửễ 2H+ + H2S04 + Pb02 + 2e = PbS04 + 2H20 (2-3) + Ở cực âm, S04 " tác dụng với chì và giải phóng điện tử: S04-- + Pb = PbS04 + 2e (2-4) Phương trinh tổng quát khi ắc qui axít phóng điện là: Pb02 + 2H2S04+ Pb = PbS04 + 2H20 + PbS04 (2-5) (+) (dd) (-) (+) (dd) (-) Từ các phương trình (2-3), (2-4), (2-5) ta thấy rằng: - Khi phóng điện cả 2 cực dương và âm đều hình thành chì sunphát. - Axít bị phân tích tạo thành nước, nồng độ dung dịch giảm, sức điện động của ắc qui giảm. + Quá trình nạp điện: khi ắc qui phóng điện thì sức điện động và dung lượng của ắc qui giảm, để phục hồi sức điện động và dung lượng cho ắc qui ta phải nạp điện cho ắc qui bằng cách: nối các cực của ắc qui với các cực cùng tên của nguồn điện 1 chiều (hình 2 .6 ). Hình 2.6 Ac qui nạp điện Khi đó sẽ có dòng điện chạy trong ắc qui gọi là dòng điện nạp, ký hiệu là In đi từ cực (+) về cực âm (-) trong ắc qui. ion dương H+ theo chiều dòng điện còn ion âm S04' ' về cực dương. Tại cực âm ion dương H+ tác dụng với chì sunphát. giải phóng chì theo phản ứng: 2H+ + PbS04 = H:S04 + Pb (2-6) Chương 2: Nguồn điện một chiều 21 + Tại cực dương, gốc axít S04 sẽ ôxy hoá chì sunphát: PbS04 + 2H20 + SO4- = Pbơ2 + 2H2S04(2-7) Ta có phương trình tổng quát khi ắc qui được nạp điện là: PbS04 + 2H20 + PbS04 = Pb02 + 2H2S04 + Pb (+) (dd) (-) (+) (dd) (-) Từ phương trình trên ta thấy rằng: (2-8) + Trước khi nạp điện cả hai đều là chì sunphát PbS04, khi nạp điện thì cực dương trở thành chì điôxít Pbơ2, cực âm trở về chì nguyên chất Pb, nồng độ dung dịch tăng và trong ắc qui có hình thành sức điện động, cuối quá trình nạp, sức điện động của ắc qui có thể đạt từ 2,6 đến 2,7V, đồng thời có bọt khí thoát ra, hiện tượng ắc qui sôi) lúc này ta cần kết thúc quá trình nạp, nếu cứ tiếp tục nạp thì dòng điện chỉ có tác dụng phân tích nước thành Hị và 0 2 bốc hơi, làm rung động bản cực, rơi rụng chất hữu hiệu, giảm tuổi thọ ắc qui. c) Các đại lượng đặc trưng của ắc qui axít Các đại lượng chính đặc trưng cho ắc qui là: + Sức điện động: hay (điện thế) của ắc qui là hiệu điện thế của ắc qui khi ắc qui hở mạch, ký hiệu là E và phụ thuộc vào tỉ trọng của dung dịch theo công thức: E = 0,85 + d (V) (2-9) Trong đó: d là tỉ trọng của dung dịch d = 1,21 + 1,26. + Điện áp của ắc qui: điện áp của ắc qui là hiệu điện thế giữa 2 cực của ắc qui khi ắc qui nối kín mạch qua phụ tải. Theo định luật ôm toàn mạch ta có: u = E - Ip.r0 (V) (2- 10) Trong đó: E là điện thế của ắc qui tính bằng (V) Ip là dòng điện phụ tải hay dòng phóng (A). r0 là điện trở trong của ắc qui (Q) Trong quá trình phóng và nạp điện, vì chiều dòng điện khác nhau nên khi phóng thì điện áp thấp hơn điện thế và khi nạp thì điện áp cao hơn điện thế và quan hộ đó được thể hiện như sau: (2 - 11) 22 + Dung lượng của ắc qui là lượng điện tích mà ắc qui có khả năng phóng được. Dung lượng của ắc qui ký hiệu là Q và tính theo công thức: Q = Ip.t (A.h) (2-12) Trong đó: Q tính bằng A.h, Ip tính bằng ampe (A) và t tính bằng giờ (h). + Điện áp cuối: là điện áp ngừng cung cấp cho tải, điện áp cuối qui định là Ưc = 1,7 V. d) Các chế độ công tác của ắc qui axít - chì + Chế độ phóng điện khi ắc qui phóng điện, dòng điện phóng lớn hay nhỏ phụ thuộc vào điện trở của phụ tải. Nếu dòng điện phóng lớn thì sẽ làm cực bản dễ bị cong vênh, chất hữu hiệu bị rơi rụng nhiều làm cho dung lượng và tuổi thọ của ắc qui giảm, ngược lại, nếu cho ắc qui phóng với dòng diện nhỏ thì thời gian phóng điện kéo dài, các cực bản dễ bị sunphát hóa làm nội trở tăng, dung lượng của ắc qui giảm, vì vậy để nâng cao dung lượng và tuổi thọ của ắc qui thì người ta qui định dòng phóng định mức của ắc qui axít bằng 10% dung lượng của ắc qui nghĩa là: I . = — (A) 10 Trong đó: Q: dung lượng của ắc qui tính bằng Aỗh. Ipdm! là dòng phóng định mức của ắc qui tính bằng A. Chế độ nạp điện cho ắc qui axit: đối với ắc qui axít, người ta chia ra 3 chế độ nạp điện, đó là: + Chế độ nạp điện lần đầu: ắc qui mới sản xuất ra, trước khi đưa vào sử dụng, ta phải nạp điện cho ắc qui gọi là nạp điện lần đầu, nạp điện lần đầu rất quan trọng, mục đích để rèn luyện các tấm cực quen dần với phản ứng hoá học, nâng cao tuổi thọ cho ắc qui, người ta qui định dòng điện nạp lần đầu: In = 7%Q và thời gian nạp tn = 60 đến 80 giờ đối với cực bản chưa hóa luyện. Còn ắc qui cơ bản cực đã hoá luyện thì thì thời gian nạp tn = 16 đến 18 giờ. Trong quá trình nạp phải định kỳ kiểm tra nhiệt độ, tỷ trọng dung dịch và điện áp của ắc qui, giờ đầu kiểm tra từ 3 đến 4 lần, từ giờ thứ 2 trở đi cứ 2 giờ kiểm tra 1 lần, nếu dung dịch cạn phải bổ sung kịp thời. Trong quá trình nạp, nếu nhiệt độ dung dịch điện phân tăng cao gần bằng 40°c thì phải giảm dòng nạp đi một nửa, nếu Chương 2: Nguồn điện một chiều 23 giảm dòng điện nạp rồi mà nhiệt độ dung dịch vẫn không giảm thì phải ngừng nạp. chờ cho nhiệt độ dung dịch giảm xuống dưới 35°c mới được nạp tiêp. Trong quá trình nạp điện phải bảo đảm nạp điện liên tục, trừ khi có sự cố mới được ngừng nạp. Ac qui được nạp đến thời kỳ cuối khi thấy dung dịch sủi bọt đều, đo điện áp môi ngăn vào khoảng 2,5V đến 2,6V, tỉ trọng dung dịch không thay đổi là ắc qui đã được nạp no, ta ngừng nạp, ắc qui mới nạp xong không nên đưa vào sử dụng ngay mà nên cho ắc qui phóng - nạp điện vài ba lần theo suất phóng 10 giờ để rèn luyện các tấm cực quen dần với phản ứng hoá học, nâng cao tuổi thọ cho ắc qui. + Chế độ nạp điện thường (nạp đệm hay nạp bổ sung): khi ắc qui phóng điện thì dung lượng và điện áp ắc qui giảm, ta phải nạp điện cho ắc qui gọi là nạp điện bổ sung (nạp đệm hay nạp điện thường). Dòng điện nạp: In = Q/10, thời gian nạp: tn = 8 đến lOh, đến thời kỳ cuối thì giảm dòng điện nạp đi một nửa tức là In = 50% dòng điện nạp lúc đầu (hay In = Q/20). Những ắc qui phải nạp điện thường là: - Ắc qui phóng điện khi điện thế giảm từ 1,7 đến 1,8V. - Ac qui nạp đệm để quá 1 tuần chưa sử dụng. + Chế độ nạp điện quá mức: thực chất của nạp quá mức là nạp đệm thường nhưng kéo dài thời gian nạp, dung lượng nạp tương đối lớn, mục đích của nạp quá mức là để bổ sung dung lượng cho ắc qui do các lần nạp trước chưa đủ no hoặc để khử hiện tượng sunphát hoá trên cực bản ắc qui, có 2 phương pháp nạp điện quá mức: * Phương pháp thứ nhất: nạp với dòng nạp In= Q/10, đến thời kỳ cuối (khi thấy dung dịch sủi bọt đều) thì giảm dòng nạp đi một nửa (tức In = Q/20) rồi tiếp tục nạp, cứ nửa giờ thì đo tỉ trọng và điện áp 1 lần, nếu đo vài ba lần mà tỉ trọng, điện áp không thay đổi và dung dịch sủi bọt nhiều là được. * Phương pháp 2: nạp với dòng nạp In = Q/10, đến thời kỳ cuối thì ngừng nạp 1 giờ, rồi lại nạp tiếp 1/2 giờ, rồi lại ngừng nạp 1 giờ, cứ làm như vậy vài ba lần khi thấy tỉ trọng, điện áp không đổi và dung dịch sủi bọt nhiều là được. Những trường hợp ắc qui phải nạp điện quá mức là: - Những ắc qui làm việc thường xuyên thì 1 tháng phải nạp quá mức 1 lần. - Ắc qui phóng tới khi điện áp còn bằng 1,7 đến 1,8V. - Ác qui đê lâu không nạp. 24 - Ảc qui phóng với dòng điện quá lớn hoặc nhiều lần nạp không no. - Ảc qui phóng với dòng điện nhỏ trong thời gian dài . e) Một số hư hỏng thông thường của ắc qui axít, cách khắc phục Ắc qui axít thường có các hiện tượng hư hỏng sau: bản cực bị sunphát hoá, chập mạch, cực bản bị cong vênh, phân cực và tự phóng điện, ở đây ta chỉ xét 2 hư hỏng cơ bản đó là hiện tượng sunphát hóa cực bản và hiện tượng tự phóng điện của ắc qui, những hiện tượng hư hỏng này chủ yếu do nguyên nhân sử dụng và bảo quản không tốt gây ra. + Cực bản bị sunphát hóa: Hiện tượng sunphát hoá: ắc qui sử dụng bình thường, chất hữu hiệu của cực âm và cực dương (Pb và Pbơ2) phần lớn đều biến thành những hạt sunphát chì kết tinh nhỏ và xốp, những hạt sunfat chì nhỏ và xốp này phân bố đều trên các lỗ nhỏ của chất hữu hiệu nên khi nạp điện dễ dàng tiếp xúc với dung dịch, khôi phục trở lại thành Pb02và Pb. Nhưng nếu để lâu không nạp điện, những hạt nhỏ này sẽ biến thành hạt kết tinh lớn có mầu trắng, chất sunphát chì kết tinh lớn sẽ bọc kín các lỗ nhỏ ngăn không cho dung dịch thấm vào, nội trở tăng, đồng thời khi nạp khó khôi phục lại thành chất hữu hiệu hơn các hạt kết tinh nhỏ, nếu để quá lâu sẽ không thể khôi phục lại được, làm cho chất hữu hiệu trong bản cực giảm bớt, dung lượng của ắc qui giảm, đồng thời trên cực bản xuất hiện những chấm trắng, hiện tượng này gọi là cực bản bị sunphát hóa. * Nguyên nhân gây ra sự sunphát hóa cực bản ắc q u i: - Thường xuyên phóng điện quá mức và phóng với dòng điện nhỏ trong thời gian dài. Thường xuyên nạp không no. - Không định kỳ nạp quá mức 1 cách thích đáng. - Dung dịch điện phân bị cạn (khi nạp đệm phần cực bản nhô ra không GÓ tác dụng của dung dịch nên không khôi phục lại được). Nhiệt độ dung dịch quá cao (t° cao thì PbS04 hình thành quá sâu nên không kịp khôi phục lại khi nạp điện. * Đặc điểm của sunphát hoá: - Dung lượng của ắc qui giảm nhỏ. - Tỷ trọng dung dịch giảm hơn mức bình thường. - Điện áp nạp thời kỳ đầu và thời kỳ cuối cao, điện áp phóng thời kỳ đầu và thời kỳ cuối thấp, nội trở lớn, dung dịch khó khuếch tán đều. Chương 2: Nguồn điện một chiều 25 - Bốc hơi quá sớm khi ắc qui được nạp điện. - Màu sắc cực bản không bình thường (cực dương có chấm trắng, cực âm màu xám trắng, mặt cực bản trở nên rắn chắc). * Phương pháp khắc phục hiện tượng cực bản sunphát hóa: - Dùng phương pháp nạp điện quá mức cho ắc qui, khi ắc qui mới bị sunphát hoá nhẹ dùng phương pháp nạp quá mức thích đáng có thể khôi phục lại như cũ. - Dùng phương pháp nạp dòng điện nhỏ: khi cực bản bị sunphát hoá tương đối nhiều thì ta dùng phương pháp nạp dòng điện nhỏ cho ắc qui trong thời gian dài để khôi phục. Cách thực hiện như sau: Pha dung dịch loãng một cách thích đáng (cho thêm nước cất) rồi nạp điện bình thường cho đến khi sủi bọt (điện áp khoảng 2,3 đến 2,9V) thì ngừng nạp nửa giờ (mục đích để dung dịch khuếch tán đều) sau đó lại nạp tiếp với dòng điện nạp bằng nửa dòng điện nạp thường, cho đến khi sủi bọt thật nhiều thì ngừng nạp 20 phút rồi lại nạp tiếp. Cứ làm như vậy vài ba lần cho đến khi tỷ trọng dung dịch đạt trị số qui định ở mức bình thường thì thôi, khi đó chất sunphát chì trên cực bản đã được khôi phục lại. - Phương pháp xử lý bằng nước: khi cực bản ắc qui bị sunphát hóa nghiêm trọng thì ta dùng phương pháp xử lý bằng nước, cách tiến hành như sau: Nạp điện thường cho ắc qui no (dung dịch sủi bọt thật nhiều) sau đó cho ắc qui phóng điện theo suất phóng 10 giờ đến khi điện áp ắc qui sụt đến 1,8V thì ngừng phóng điện, đổ hết dung dịch trong các ngăn ra và đổ nước cất vào các ngăn để yên trong 2 giờ, sau đó đưa vào nạp điện với dòng điện nhỏ. với suất nạp 20 giờ (tức In = Q/20) cho đến khi tỉ trọng đạt 1,12 thì giảm dòng nạp còn bằng 1/5 và tiếp tục nạp cho đến khi các cực bản sủi bọt nhiều và đều thì ngừng nạp và cho ắc qui phóng địện với Ip = 1/5 suất phóng điện 10 giờ từ 1,5 đến 2 giờ rồi lại nạp điện cho ắc qui theo qui trình trên. Nên phóng nạp điện mấy lần như vậy cho đến khi cực bản khôi phục lại bình thường mới thôi. Khi ắc qui bị sunphát hoá nặng thì việc xử lý theo phương pháp này phải kéo dài đến vài tuần mới phục hồi được. Tuy nhiên, cũng có trường hợp không thể khôi phục hoàn toàn được, gặp trường hợp này, ta phải tháo cực bản ắc qui ra, dùng bàn chải cọ rửa cực bản trong nước cất cho đến khi hết lớp tinh thể sunphát bám vào cực bản, sau đó áp dụng các phương pháp nạp trên. Khi cọ rửa cực bản phải hết sức cẩn thận, không làm vỡ cực bản, nhất là các tấm cực bản dương, vì cực bản đã dùng rồi rất dễ vỡ. 26 + Ac qui tự phóng điện * Hiện tượng: đó là hiện tượng ắc qui được nạp no nhưng chưa đưa vào sừ dụng mà dung lượng và điện áp đã giảm nhanh, bình thường thì ắc qui axít có suất tự phóng điện nội bộ từ 1 đến 2% dung lượng một ngày đêm. Còn khi bảo quản và sử dụng không đúng nguyên tắc, có thể làm cho ắc qui tự phóng điện từ 3 đến 5% dung lượng trong một ngày đêm hoặc nhiều hơn nữa. * Nguyên nhân: - Trong dung dịch có những tạp chất dẫn điện. - Do bề mặt ắc qui bị bẩn tạo thành cầu dẫn điện. - Trong bản thân cực bản có hiệu số điện thế (ví dụ giữa khung cực bản với chất hữu hiệu...). - Khôi phục hiện tượng ắc qui tự phóng điện: thường xuyên lau chùi ắc qui sạch sẽ. Xúc rửa ắc qui, thay dung dịch điện phân đủ tiêu chuẩn, sử dụng đúng chế độ. 3. Ắc qui kiềm a) Cấu tạo của ắc qui kiềm Cấu tạo của ắc qui kiềm tương tự như ắc qui axít, bao gồm các phần sau: + Vỏ: để chứa dung dịch điện phân, tấm cực, vỏ thường làm bằng sắt mạ kền hoặc nhựa cứng. + Cực bản: cực bản dương và âm đều do một số tấm sắt mỏng mạ kền có nhiều lỗ nhỏ tạo thành túi đựng chất hữu hiệu. - Cực bản dương để trong các túi được nhồi bột ôxít kền trộn với than chì. - Cực bản âm có 2 loại là cađômi và sắt. Đối với ắc qui cađômi - kền thì cực âm được nhồi bột cađômi có trộn thêm một ít bột sắt. Đối với ắc qui sắt - kền thì cực âm chỉ nhồi bột sắt. Giữa các cực bản dương và âm không dùng tấm cách điện mà dùng que cách điện bằng nhựa, 2 cực bản ngoài không cách điện với vỏ bình mà tiếp xúc với vỏ bình. Trong ắc qui cađômi - kền thì cực bản dương nhiều hơn cực bản âm 1 tấm. cho nên vỏ bình nối với cực dương. Còn trong ắc qui sắt - kền thì số cực bản âm nhiều hơn số cực bản dương 1 tấm cho nên vỏ bình nối với cực âm. Chương 2: Nguồn điện một chiều 27 + Dung dịch điện phân có 2 loại là KOH và NaOH nhưng hay dùng là KOH vì KOH dẫn điện tốt hơn và dễ bảo quản. Tì trọng của dung dịch lấy từ 1,19 đên 1,30 và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. - Nếu nhiệt độ to = 10 đến 25°c thì tỉ trọng dung dịch d = 1,1 0 -7- 1,20 - Nếu nhiệt độ t° < 10°c thì tỷ trọng dung dịch d = 1,27 -T- 1,30 Cần chú ý rằng dung dịch KOH rất dễ kết hợp với C 02 trong không khí tạo thành Cácbônát Kali (K2C 03) làm giảm tác dụng hữu hiệu của dung dịch (tức ảnh hưởng đến dung lượng của ắc qui) vì vậv lúc bình thường phải vặn nút chặt, chỉ khi nạp điện mới được mở ra. b) Các chế độ công tác của ắc qui kiểm — ► lp Hình 2.7 Quá trình điện hóa của ắc qui kiềm xảy ra như sau: Khi nạp điện, chất hữu hiệu trên 2 cực bản của ắc qui kiềm là Ni(OH)3 ở cực dương, Fe hay Cd ở cực âm. Khi phóng điện cực dương biến thành Ni(OH)2, cực âm thành Fe(OH)2 hay Cd(OH)2. Ta đã biết trong dung dịch KOH phân tích thành ion dương K+ và ion âm OH'. Do đó phản ứng xảy ra cụ thể như sau: + Khi ắc qui phóng điện: nối 2 cực của ắc qui kiềm đã được nạp điện với phụ tải thì sẽ có dòng điện chạy qua phụ tải gọi là dòng điện phóng, ký hiệu là Ip (hình 2.7) khi đó trong ắc qui sẽ xảy ra phản ứng hoá học như sau: - Ở cực dương: 2Ni(OH), + 2K+ -> 2Ni(OH)2 + 2KOH - 2e (2-13) Ở cực âm: Fe (hoặc Cd) + 2(OH)' -» Fe (OH)2 hoặc Cd(OH)2 + 2e' (2-14) 28 Giáo trình Nguồn điện thông tin Phản ứng tổng quát khi ắc qui kiềm phóng điện là: 2Ni(OH), + 2KOH + Fe (hay Cd) = 2Ni(OH)2 + 2K0H + Fe(OH)2 (hay Cd(OH)2) (2-15) Nhận xét: Khi ắc qui kiềm phóng điện thì cả 2 cực đều biến thành hvđrôxit có hoá trị 2 , còn dung dịch không thay đổi gì. Hình 2.8 + Khi ắc qui kiềm được nạp điện và điện áp của ắc qui giảm, ta phải nạp điện cho ắc qui bằng cách nối 2 cực của ắc qui với nguồn điện 1 chiều, khi đó có dòng điện chạy qua ắc qui gọi là Inap (hình 2.8). Khi nạp điện ắc qui kiềm phản ứng hoá học xảy ra như sau: - Ở cực dương: 2Ni(OH)2 + 2(OH)- - 2e' -> 2Ni(OH) (2- 16) - Ở cực âm: Fe(OH)2 (hoặc Cd(OH)2) + 2K+ + 2ẽ -> Fe (hoặc Cd) + 2KOH (2-17) Phương trình tổng quát khi ắc qui kiềm được nạp điện là: 2Ni(OH)2 + 2KOH + Fe(OH)2 (hoặc Cd(OH)2) = 2Ni(OH)3 + 2KOH + Fe (hoặc Cd) Tổng hợp công thức (2-15) và (2-18) ta được phản ứng chung là: (2-18) Ta thấy tỷ trọng dung dịch không thay đổi nó chỉ làm nhiệm vụ dẫn điện. Chương 2: Nguồn điện một chiều 29 c) Thông số và dặc tính các ắc qui kiềm + Điện thế của ắc qui kiềm vào khoảng 1,3V, điện áp phóng bình quân 1,2V, dung lượng Q = I . t (A.h) dung lượng của ắc qui kiềm không phụ thuộc vào nhiệt độ và dòng phóng một cách rõ rệt như ắc qui chì, vì thế ta có thể cho ắc qui kiềm làm việc với dòng phóng tương đối lớn. Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng lớn hơn 45°c thì sẽ làm sắt dễ hoà tan trong dung dịch KOH, chất hữu hiệu bị rơi rụng làm cho dung lượng và tuổi thọ của ắc qui giảm. d) Các chế độ nạp và phóng điện của ắc qui kiềm Chê độ nạp điện cho ắc qui kiềm cũng giống như ắc qui chì, dòng điện nạp bình thường tính theo dung lượng của ắc qui và theo suất nạp 4 giờ tức là Inạp = Q/4 (A) thời gian nạp từ 6 đến 7 giờ, nếu muốn nạp quá mức thì sau 6 giờ giảm dòng nạp đi một nửa (tức Inap còn bằng Q/8(A) và nạp tiếp 6 giờ nữa, cứ 10 đến 12 lần phóng nạp bình thường thì lại nạp quá mức một lần. + Chế độ phóng điện: người ta qui định dòng điện phóng bình thường là suất phóng điện 8 giờ, tức là Iphóng = Q/8(A). 4. Sử dụng và bảo quản ắc qui - Không được cho ắc qui phóng với dòng quá lớn hay quá nhỏ kéo dài. - Không được để ắc qui phóng quá mức, phóng xong phải nạp ngay, đồng thời không nên thường xuyên nạp không no để tránh cực bản bị sunphát hoá (với ắc qui axít). - Không đấu ắc qui khác dung lượng với nhau, - Không nên thường xuyên nạp quá mức vì sẽ sủi bọt mạnh làm rơi rụng chất hữu hiệu, làm giảm dung lượng và tuổi thọ của ắc qui. - Nhiệt độ trong phòng bảo quản ắc qui phải nhỏ hơn 25°c, khi nạp không quá 40 c. - Trong quá trình nạp điện cho ắc qui phải định kỳ kiểm tra tỉ trọng, dung dịch, điện áp, nhiệt độ..., tỉ trọng của dung dịch không được cao và thấp quá theo qui định và dung dịch phải cao hơn cực bản từ 1 - 2cm, tuyệt đối không được để cực bản nhô ra khỏi mặt nước dung dịch. - Không được sử dụng dung dịch không nguyên chất. Các bình ắc qui phải sắp xếp ngay ngấn, thảng hàng, buồng đặt ắc qui phải khô ráo, thông gió tốt, đầy đủ ánh sáng nhưng tránh ánh sáng chiếu trực tiếp vào, không được để lẫn ắc qui kiềm với ấc qui axít trong cùng một buồng. 30 Giáo trình Nguồn điện thông tin - Trong buồng đặt ắc qui, cấm hút thuốc và không được mang các vật có thể sinh tia lửa vào buồng đặt ắc qui, phải thường xuyên lau chùi ắc qui sạch sẽ. - Không vứt bừa bãi ắc qui hỏng làm ô nhiễm môi trường. IIIế PIN MẶT TRỜI 1. Khái niệm Pin mặt trời là phần tử bán dẫn p - n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng nội quang điện. Pin mặt trời hiện nay đang ngày một sử dụng rộng rãi đặc biệt là trong lĩnh vực thông tin. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay trên thế giới là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu bán dẫn Silic (Si), sau đây ta sẽ xét về cấu tạo và nguyên lý của pin măt trời. 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt tròi a) Cấu tạo của pin mặt trời Gồm một mảnh bán dẫn có tiếp giáp p - n từ tinh thể Silicon (Si), để có bán dẫn Si loại n người ta pha vào tinh thể silicon tạp chất là phốt pho (P) vì Si có hoá trị 4, p có hoá trị 5 nên trong liên kết đổng hoá trị sẽ thừa 1 điện tử, để có bán dẫn Si loại p thì tạp chất pha vào là Bo (vì Bo có hoá trị 3 nên trong mối liên kết đổng hoá trị sẽ thiếu 1 điện tử) và trở thành 1 lỗ trống. Để dẫn điện ra phụ tải thì trên mỗi mảnh bán dẫn có các điện cực tiếp xúc, vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải vừa có độ dẫn điện tốt, vừa phải có độ bám dính tốt vào chất bán dẫn. Ngoài ra đối với điện cực mặt trên cần phải bảo đảm điều hoà giữa vấn đề che sáng và điện trờ của điện cực. Tiếp xúc mặt trên được tạo dưới dạng lưới độ che không quá 10% diện tích pin, tiếp xúc mặt dưới có thể đơn giản là một lớp kim loại, tiếp xúc kim loại làm điện cực thường được chế tạo gồm 3 lớp : - Lớp mỏng Ti-tan (Ti) làm lớp cuối cùng vì ti-tan bám dính với Si rất tốt. Lớp giữa là Pa-la-đi (Pe) để ngăn phản ứng hoá học giữa lớp ti-tan và lớp trên cùng là bạc (Ag). - Lớp trên cùng là bạc có tác dụng dẫn điện rất tốt và dễ hàn. để tạo liên kết tốt và giảm điện trở của lớp tiếp xúc thì sau khi chế tạo người ta phải ủ các lớp tiếp xúc ở nhiệt độ từ 500°c đến 600°c. Chương 2: Nguồn điện một chiều 31 Để chống phản xạ cho pin (vì phản xạ ánh sáng sẽ làm cho sức điện động và hiệu suất của pin mặt trời giảm đi) thì lớp tiếp xúc p - n phải được phủ một hoặc hai lớp chống phản xạ bằng Si02, T i02. Hình 2.9 là sơ đồ cấu tạo của pin mặt trời. Ánh sáng __ Điện cực trên hình lưới r W W ể Màng chống phản xạ* E Lớp tiếp giáp p-n ........? ............ N.-.SỊ................ È ..... Ệp :ẵéẩ““ a . ọo 1 m " Điên CƯC lư ớ i Hình 2.9 Cấu tạo pin mặt trời Vì điện thế (sức điện động) của pin mặt trời nhỏ (khoảng 0,5V) nên khi chế tạo người ta phải nối tiếp bằng hàng chục pin với nhau tạo thành một tấm pin mặt trời (còn gọi là một mô-đun). Vì pin mặt trời phải làm việc ngoài trời để bảo vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện làm tăng tuổi thọ của pin mặt trời thì trên các tấm pin mặt trời phải được phủ một lớp chất dẻo trong suốt thường là Polyvinyl butirat (PVB) hoặc Etylen Vinyl axêtat (EVA) (phía trên có thể dùng thuỷ tinh ít sắt hoặc thuỷ tinh hữu cơ). b) Nguyên lý làm việc của pin mặt trời Hình 2.10 Để nghiên cứu nguyên lý làm việc của pin mặt trời, ta hãy xét một tiếp giáp p - n (hình 2.10). Như đã biết khi cho 2 chất bán dẫn tiếp xúc với nhau thì điện tử từ 32 Giáo trình Nguồn điện thông tin bán dẫn n sẽ khuếch tán sang bán dẫn p, còn lỗ trống của bán dẫn p sẽ khuêch tán sang bán dẫn n, kết quả là bán dẫn n ở miền tiếp giáp tích điện dương còn ớ bán dẫn p cạnh miền tiếp giáp tích điện âm. Trong miền tiếp giáp hình thành một điện trường tiếp giáp Etx và do đó có một hiệu điện thế tiếp giáp ƯTX, lúc đầu điện trường tiêp giáp tăng nhanh nhưng khi đủ lớn sẽ ngăn cản các điện tử và lỗ trống là những hạt tải điện cơ bản khuếch tán sang nhau qua miền tiếp giáp ở trạng thái cân bằng động, dòng khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản sẽ cân bằng với dòng các hạt tải điện không cơ bản (ở bán dẫn n là lỗ trống, ở bán dẫn p là điện tử) bị điện trường tiêp giáp gia tốc. Do các hạt tải điện khuếch tán sang các phía đối diện nên ở miền tiếp giáp nồng độ các hạt tải điện rất nhỏ hay có thể nói điện trở của miền tiếp giáp ở điều kiện bình thường là rất lớn. Điện trường tiếp giáp E jX và hiệu điện thế tiếp giáp chỉ định cứ trong miền tiếp giáp (Ln + Lp), vì vậy nếu nối các đầu bán dẫn n và p với nhau bằng một dây dẫn thì trong dây dẫn vẫn không có dòng điện chạy qua. Ánh sáng + _ + n p ----------------------------------------------ĩ --------- <=>----------© -------- Hình 2.11 Bây giờ nếu ta chiếu ánh sáng vào bề mặt lớp tiếp giáp (hình 2.11) thì các cặp điện tử và lỗ trống được tự do tạo thành. Các điện tử và lỗ trống này (còn gọi là các điện tử và lỗ trống quang) bị điện trường tiếp giáp ETX gia tốc về các phía đối diện (lỗ trống về p và điện tử về bán dẫn n) tạo ra một suất điện động gọi là suất điện động quang điện. Nếu nối các đầu bán dẫn n và p với một phụ tải thì sẽ có dòng điện chạy qua gọi là dòng quang điện và cho ta một công suất ở mạch ngoài. Suất điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất các chất bán dẫn, vào nhiệt độ miền tiếp giáp, vào bước sóng và cường độ ánh sáng, hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện p - n khi chiêu sáng vào được gọi là hiệu ứng nội quang điện (khác với hiện tượng hiệu ứng ngoại quang điện là các điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loại khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào bề mặt kim loại). Chương 2: Nguồn điện một chiều 33 Như vậy, một lớp tiếp giáp bán dẫn p - n khi được chiếu sáng có thể trở thành một “máy” phát cho ta một công suất hữu ích ở mạch ngoài, việc sử dụng hiệu ứng nội quang điện trên các lớp bán dẫn p - n để biến đổi ánh sáng thành điện năng đê tạo ra nguồn điện được gọi là pin quang điện. Nếu sử dụng pin quang điện để biến đổi bức xạ mặt trời thành điện năng thì pin đó được gọi là pin mặt trời. Điện thế của pin mặt trời vào khoảng 1,5V, để có điện áp lớn hơn người ta phải ghép nối tiêp nhiều pin lại với nhau gọi là môđun pin mặt trời. - Đặc tuyến nãng lượng của pin mật trời như hình (2.12) 0 Um Uqc u Hình 2.12 Đặc tính vôn-ampe của pin mặt trời 3. Các đặc trưng điện của pin mặt trời a) Sơ đồ tương đươỉig của pin mặt trời - Khi chiếu sáng pin mặt trời, nó phát ra một dòng quang điện, vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng. - Lớp tiếp giáp bán dẫn p - n có tính chỉnh lưu tương đương như một điốt. - Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp giáp p - n là điện trở sơn Rsh. - Đặc trung cho điện trở của các lớp bán dẫn p - n các điện cực... là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời). Như vậy một pin mặt trời được chiếu sáng có sơ đổ điện tương tự như hình 2.13. Rs +1 + ị ta Ịuh Hình 2.13 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 34 Giáo trinh Nguồn điện thông tin b) Dòng doản mạch Ịsc Là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm đoản mạch ngoài (chập các cực ra của pin) lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài u = 0 . Ta có: Isc = IcD + a.E (2-19) Trong đó E là cường độ sáng, a là hộ sô tỉ lộ. Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch của pin mặt trời ti lệ thuận với cường độ bức xạ ánh sáng. Với pin mặt trời tinh thể Si, khi cường độ bức xạ E = 1 kW/m2 và ở nhiệt độ T = 25°c thì dòng đoản mạch Ist = 30 mA/cm2. c) Thế hở mạch Uoc Là hiệu điện thế đo được giữa 2 cực của pin khi mạch ngoài của pin mặt trời bị hở (R = oo)ử Khi đó dòng điện mạch ngoài bằng không (I = 0). d) Điểm làm việc với công suất cực đại Lấy một đường đặc trưng vôn-ampe của pin mặt trời đối với một cường độ bức xạ và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng vôn-ampe của pin mặt trời và đường đặc trưng vôn ampe của tải chính là điểm làm việc của pin mặt trời. Nếu tại điểm đó, tải tiêu thụ một công suất cực đại thì đó là điểm làm việc của pin với công suất cực đại (hình 2.14) và ứng với điểm làm việc với công suất cực đại phải tổn tại một điện trở tối ưu Ropt được xác định từ các điện thế và dòng điện của nó theo định luật ôm. R opt = T ĩ £ ' (2 -2 0 ) ^opt Chương 2.ằ Nguồn điện một chiều 35 Rõ ràng pin mặt trời làm việc có hiệu quả khi tải có giá trị làm việc Ropt, điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được, bới vì điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi theo chính nó. Ngoài ra bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thay đổi liên tục hàng ngày, hàng mùa làm cho đặc trưng vôn ampe của pin mặt trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc có công suất cực đại. Vì vậy, đối với mỗi loại tải, việc thiết kế để hệ thống cho hiệu suất cao, đòi hỏi có những yêu cầu riêng. e) Các tham số ảnh hưởng đểu chế độ làm việc của pin mặt trời Có 5 tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc của pin mật trời: - Điện trớ nội (điện trớ nối tiếp) Rs. - Điện trở sơn Rsh. - Dòng diện bão hòa Is. Các tham số trên gọi là các tham số chủ quan của pin mặt trời, hai tham số khách quan đó là: - Cường độ bức xạ mặt trời. - Nhiệt độ của pin T. Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ), các tham số trên có thể xem như các tham số độc lập, chi trừ dòng điện bão hoà Is và nhiệt độ T. iị) Hiệu suất của pin mặt trời + Công suất đỉnh (Peak Power) là công suất do pin mặt trời sản ra khi nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ là lkW/rrr và ớ nhiệt độ 15°c, công suất đính được đo bằng oát píc (Wp) hay kilỏoát pic (kWp). + Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là ti số giữa cổng suất điện mà nó sản ra khi' làm việc ở điểm làm việc tối ưu (điểm làm việc công suất cực đại) và tổng năng lượng bức xạ tới pin mặt trời ở một nhiệt độ cho trước. n=ầ < 2 - 2 6 ) Trong đó : r\ là hiệu suất (%). A: diện tích của pin mặt trời được chiếu sáng (m2). E: cường độ bức xạ (Wm2) Đỏi với pin mật trời tinh thể Si, ĩ| = 12 4- 22%. 36 Giáo trình Nguồn điện thông tin Câu hỏi ôn tập l ễ Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin vônta? 2. Sự phân cực của pin là gì? Tác hại và biện pháp khắc phục? 3. Trình bày cấu tạo của pin Lơ clăng-sê và pin không khí? 4. Hãy nêu các đại lượng cơ bản của pin? 5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý phóng nạp điện của ắc qui axít? 6 . Nêu các thông số cơ bản của ắc qui axit? 7ề Trình bày các chế độ phóng và nạp điện của ắc qui axít? 8 . Trình bày các chướng ngại của ắc qui axít và biện pháp khấc phục? 9. Trình bày cấu tạo và nguyên lý phóng nạp điện của ắc qui kiềm? 10. Trinh bày phương pháp sử dụng và bảo quản ắc qui? 11. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời? 12. Hãy trình bày các đặc trưng của pin mặt trời? Chương 3: Biên áp, chính lưu và lọc nguồn 37 I. MÁY BIẾN ÁP Đê biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao ta dùng máy biến áp. Máy biến áp dùng để tăng điện áp từ thấp lên cao gọi là máy biến áp tăng áp, ngược lại máy biến áp dùng để giảm điện áp từ cao xuống thấp gọi là máy biến áp giảm áp. Ngày nay, do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi nên có nhiều loại máy biến áp khác nhau nhưng cũng dựa trên một nguyên lý. Dưới đây, trước hết ta sẽ nghiên cứu máy biến áp 1 pha là loại máy biến áp đơn giản. 1. Máy biến áp 1 pha a) Cấu tạo của máy biến áp Bộ phận chủ yếu của máy biến áp là lõi thép và dây quấn (hình 3.1). Mạch từ Phu tải Hình 3.1 Cấu tạo của máy biến áp + Lõi thép: lõi thép dùng để dẫn từ thông của máy, lõi thép bao gồm nhiều lá thép kĩ thuật điện mỏng (thép xilium) dày từ 0,35 đến 0,5mm có sơn cách điện rồi ép lại với nhau tạo thành mạch từ. Nhờ cách ghép như vậy nên dòng điện xoáy giảm đi rất nhiều, do dó lõi thép bớt nóng, làm giảm tổn hao và hiệu suất của máy được nâng cao. Tiết diện lõi thép có thể được ghép theo kiểu hình vuông, chữ nhật hay hình bậc thang (hình 3.2). 38 Giáo trình Nguồn điện thông tin Hình vuông Hình chữ nhật Hình bậc thang Hình 3.2 + Dây quấn là các dây đồng bọc cách điện quấn xung quanh trục lõi thép, thông thường máy biến áp có 2 dây quấn, dây quấn nối với nguồn điện gọi là dây quấn sơ cấp, ký hiệu là Wj, dây quấn nối với phụ tải gọi là dây quấn thứ cấp, ký hiệu là w 2(hình 3.1). Có 2 dây quấn có thể quấn ở 2 trụ lõi thép như hình 3.1 hoặc quấn xung quanh một trụ của lõi thép như hình 3.3. Cuộn dây thứ cấp Hình 3.3 Thông thường cuộn dây có điện áp thấp được quấn bên trong và cuộn dây có điện áp cao được quấn bên ngoài, giữa hai cuộn dây được đặt một một lớp cách điện để cách điện giữa hai cuộn dây với nhau, giữa dây quân và lõi thép cũng phải được cách điện để tránh không cho dòng điện rò ra lõi thép. Đối với máy biên áp điện lực thì lõi thép và dây quấn còn được đặt trong một thùng dầu máy biên áp bằng sắt đê làm mát, xung quanh thùng có nhiều ống dẫn để toả nhiệt được tốt, trên náp thùng dầu có các sứ cách điện, trên sứ có các bu lòng để đưa điện vào cuộn dây sơ cấp và dẫn điện ra phụ tải ở cuộn thứ cấp, ngoài ra trên nắp thùng còn có một thùng dầu phụ để đề phòng việc giãn nở dầu do nhiệt độ và để bổ sung dầu khi thiếu. Chương 3.ề Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 39 b) Nguyên lý làm việc của máy biến áp Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu ta đặt vào dây quấn sơ cấp một điện áp xoay chiều U| thì sẽ có dòng điện i| chạy qua cuộn dây, dòng điện này sinh ra từ thông (Ị) chạy qua lõi thép. Từ thông này biến thiên và móc vòng với cả 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (gọi là từ thông chính (<ị> chính) (hình 3.4). (ị) chính Hình 3.4 Theo định luật cảm ứng điện từ, khi từ thông (ị) biến thiên sẽ cảm ứng ở dây quấn sơ cấp một sức điện động là: , d(ị) 1 “7T (3-1) (3-2) Trong dó Wị, w 2là số vòng của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. nhìn vào công thức (3-1) và (3-2) ta thấy tần số sức điện động của cuộn dây sơ cấp cũng bằng tần số sức điện động của cuộn dây thứ cấp, nhưng trị số của hai sức điện động này thì khác nhau, nếu đem công thức (3-1) chia cho (3-2) ta được: (3-3) 40 Giáo trinh Nguồn điện thông tin hệ số k gọi là hệ số máy biến áp, k cho ta biết là máy biến áp tăng áp hay giảm áp. - Nếu k > 1 là máy biến áp giảm áp. - Nếu k < 1 là máy biến áp tăng áp. Nếu ta nối cuộn thứ cấp với phụ tải thì dưới tác dụng của sức điện động e2 sẽ có dòng điện i2 chạy qua phụ tải và cung cấp điện cho phụ tải. Ta thấy giữa 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp trong máy biến áp khổng liên hệ trực tiếp với nhau về điện mà chí liên hệ với nhau về từ. Do vậy, người ta còn định nghĩa: máy biến áp là máy điện từ tĩnh, dùng để biến đổi điện áp từ hệ thông xoay chiều này sang hệ thống xoay chiều khác, nhưng có cùng tần sô. c) Các đại lượng định mức của máy biến áp + Ký hiệu máy biến áp: máy biến áp có 2 cách ký hiệu, đó là ký hiệu trên sơ đồ lắp đặt và trên sơ đồ nguyên lý (xem hình 3.5). a) Ký hiệu máy biến áp trên sơ đồ lắp đăt b) Ký hiệu máy biến áp trên sơ đố nguyên lý Hình 3.5 Ký hiệu máy biến áp + Các đại lượng định mức của máy biến áp * Điện áp định mức: - Điện áp định mức bên sơ cấp ký hiệu là Ulđm là điện áp lớn nhất cho phép đặt vào cuộn dây sơ cấp. - Điện áp định mức bên cuộn dây thứ cấp ký hiệu là Ư2dm là điện áp giữa 2 đầu cuộn dây thứ cấp khi cuộn dây thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp là U|dm, người ta qui định đối với máy biến áp một pha thì điện áp định mức là điện pha, còn đối với máy biến áp 3 pha thì điện áp định mức là điện áp dây, đơn vị của điện áp ghi trên máy biến áp thường là kv. * Dòng điện định mức: dòng điện định mức là dòng diện qui định cho mỗi cuộn dây của máy biến áp ứng với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với máy biến áp 3 pha, dòng điện định mức là dòng điện dây, đơn vị thường dùng là ampe hoặc kilô ampe, dòng điện định mức bên cuộn dây sơ cấp là Ildm, dòng điện định mức bên cuộn dây thứ cấp là I2đm. Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 41 * Công suất định mức: là công suất biểu kiến được tính cho cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, công suất định mức ký hiệu là sđm, đon vị là KVA. Đối với máy biến áp 1 pha sdm = Ư2dm . I2dm (3-4) Đối với máy biến áp 3 pha Sjm = V3 u 2đm I2đm (3-5) * Hệ số công suất định mức (cos$đm) cosS lớn thì công suất hữu ích lớn. c) Tổn hao và liiệu suất của máy biến áp Trong máy biến áp có 2 loại tổn hao điện năng, đó là tổn hao đồng và tổn hao sắt từ. * Tổn hao đổng: A Pd là tổn hao trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, do điện trở dây quấn gây nên, tổn hao này thay đổi theo phụ tải. - Tổn hao đổng bên cuộn dây sơ cấp A Pđl = I|2R| - Tổn hao đổng bên cuộn dây thứ cấp A Pđ2 = I22R2 Vậy tổn hao đồng của máy biến áp là: APđ= APdl + APđ2= I,2R,+I 22R2 Trong đó: I, là dòng điện ở cuộn sơ cấp R| là điện trở của cuộn sơ cấp I2 là dòng điện ở cuộn thứ cấp R2 là điện trở của cuộn thứ cấp * Tổn hao sắt từ (A PSI) là tổn hao trong lõi thép của máy biến áp, tổn hao này do hiện tượng phu-cô và từ trễ gây nên. Tổn hao này phụ thuộc vào từ thông trong lõi thép, nghĩa là nó phụ thuộc vào điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp Uị và chất lượng lõi thép. Tổn hao này không phụ thuộc vào phụ tải và nó được xác định bằng thí nghiệm. Tổng tổn hao trong máy biến áp là: A P = A Pd + A PS1 (3-22) Gọi P| là công suất điện đưa vào cuộn dày sơ cấp, P2 là công suất điện lấy ra ở phía thứ cấp thì: p2 = p, - AP hay p, = P2 + AP Vậy hiệu suất của máy biến áp là: 11 = PỈ"= p2 + APd: + APS, (3'23) Hiệu suất của máy biến áp rất cao trong các loại máy điện. Nó có thể đạt tới 98%. 42 Giáo trình Nguồn điện thông tin 2ẳ Máy biến áp 3 pha Để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện 3 pha ta dùng máy biến áp 3 pha, máy biến áp 3 pha có 2 loại là: - Máy biến áp 3 pha tổ hợp: dùng 3 máy biến áp 1 pha ghép lại với nhau. - Mậy biến áp 3 pha 3 trụ, ở đây ta xét máy biến áp 3 pha 3 trụ. a) Cấu tạo và nguyên lý của máy biến áp 3 pha 3 trụ Mạch từ gồm có 3 trụ: dây quấn các pha bên sơ cấp được ký hiệu bằng các chữ in hoa, pha A ký hiệu Ax, pha B ký hiệu là By, pha c ký hiệu là c z, dây quấn các pha bên thứ cấp ký hiệu bằng các chữ thường: pha a ký hiệu là ax, pha b ký hiệu là bY, pha c ký hiệu là cz. Dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể nối hình sao hoặc tam giác, nếu dây quấn sơ cấp nối hình tam giác, dây quấn thứ cấp nối hình sao thì ký hiệu A/Y. Nếu thứ cấp đấu sao có thêm dây trung tính thì ta ký hiệu A/Yũ. v ề nguyên lý làm việc thì nó tương tự như nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha. Lõi thép Ẩ 'Dây quấn sơ cấp y Dây quấn thứ cấp b c ò Hình 3.6 Cấu tạo máy biến áp 3 pha 3 trụ b)TỈ số biển áp và tổ đấu dây của máy biến áp 3 pha - Gọi số vòng dây một pha của sơ cấp là W|, số vòng dây một pha của thứ cấp là w 2 thì tỷ số biến áp là: k = UiL= W, '2f '^2 Trong đó: Ulf là điện áp pha sơ cấp u 2f là điện áp pha thứ cấp. (3-24) Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 43 nhưng chỉ số này không chỉ phụ thuộc vào số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối sao hay tam giác. Ví dụ khi sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao ta có ký hiệu A/Y (hình 3.7). Bên sơ cấp đấu tam giác nên Ư|J = Ujf còn bên thứ cấp đấu sao thì u 2d = V ỉ ư 2f do đó: k-TT“ u 2du„ = w V3U21. V3W2 Hình 3.7 (3-25) Khi nối A /A (hình 3.8) thì bên sơ cấp u ld = u ,f, bên thứ cấp ư 2d = u 2f ta có: k - u «ư, w, u 2d u 2r w 2(3-26) Hình 3.8 - Khi nối YA' (hlnh 3.9) thì bên sơ cấp u ld = >/3 U|ị bên thứ cấp U2d = 4 Ĩ u 2f do đó tỉ sô' máy biến áp sẽ là: 44 Giáo trình Nguồn điện thông tin k Um M , _ W I (3-27) V3U2I w , A B c a b c Hình 3.9 - Đối với máy biến áp 3 pha, ngoài cách ký hiệu đấu dây sơ cấp và thứ cấp, người ta còn ghi thêm chữ số để chi góc lệch pha giữa điện áp dây bên sơ cấp và điện áp dây bên thứ cấp. Ví dụ ký hiệu Y/Y - 12 thì gọi lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp là 12 X 30°= 360°. Nếu ký hiệu Y/A thì góc lệch pha giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp là 11 X 30° = 330° Chú ý ở đây góc 30° là góc lệch nhau giữa 2 số liên tiếp trên mặt đồng hổ chỉ thời gian. Đê xác định các con số l,ẵ., 11, 12 người ta xác định như sau: dùng kim phút của đổng hổ chỉ thời gian đê chỉ điện áp dây bên sơ cấp và luôn đặt vào số 1, còn kim giờ để chỉ điện áp dây bên thứ cấp, nếu khi xác định điện áp dâv bên thứ cấp lệch pha so với điện áp dây bên sơ cấp 330° chẳng hạn thì kim giờ phải chỉ vào số 11. (vì ^ = 11 như ví du Y/A -11). 30° 3. Các máy biến áp đặc biệt a) Máy biến áp tự ngầu Máy biến áp tự ngẫu còn gọi là máy tự biến áp, máy biến áp này chì có 1 cuộn dây dùng làm cuộn dây sơ cấp có số vòng là Wị và đổng thời 1 phần của cuộn dây này với số vòng W2 dùng làm cuộn dây thứ cấp (hình 3.10). Từ cách tính tỉ số máy biến áp: Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 45 (3-28) Từ biểu thức 3-28, muốn thay đổi u 2 thì chỉ việc thay đổi số vòng w2bằng cách di chuyển con trượt a hoặc từng nấc bằng khoá chuyển mạch. Máy biến áp tự ngẫu dùng để điểu chỉnh điện áp liên tục, thường dùng trong phòng thí nghiệm và đê mở máy động cơ điện xoay chiều, nó có ưu điểm là tiết kiệm kim loại màu, giá thành rẻ nhưng độ an toàn không cao khi thứ cấp hở mạch. u2 z, X,x Hình 3.10 b) Máy biến áp đo lường * Máy biến áp (TU) dùng để biến đổi điện áp cao xuống điện áp thấp để có thể đo lường bằng vôn kế thông thường. Như thế số vòng dây thứ cấp W2 phải nhỏ hơn rất nhiều so với số vòng của cuôn dây sơ cấp W|. Thông thường, người ta qui định điện áp thứ cấp u 2 định mức là 100V, sơ đổ đấu dây như hình 3.11. Để bảo đảm an toàn, đề phòng điện áp cao tràn sang phía điện áp thấp thì một đầu cuộn thứ cấp phải được tiếp mát. Ui Hình 3.11 Máy biến áp (TƯ) 46 Giáo trình Nguồn điện thông tin * Máy biến dòng (TI) biến dòng điện lớn xuống dòng điện nhỏ. để có thê đo được bằng ampe kế thông thường. Vì số trị số vòng điện thứ cấp nhỏ hơn dòng điện sơ cấp nên số vòng cuộn dây thứ cấp w 2 phải lớn hơn sô' vòng cuộn dây sơ cấp w, (hình 3.12). Thông thường dòng điện thứ cấp định mức của máy biến áp dòng ^2dm = 5Aệ Khi đấu máy biến dòng thì cuộn dây WĂ đấu nối tiếp với phụ tải còn 2 đầu cuộn thứ cấp w 2 đấu với ampe kế. Để bảo đảm an toàn thì một đầu cuộn thứ cấp phải được tiếp mát. Chú ỷ: vì máy biến dòng luôn luôn làm việc ở tình trạng ngắn mạch. Do đố nếu muốn tháo ampe kế ra thì trước khi tháo phải nối tắt 2 đầu cuộn thứ cấp w 2 lại, nếu để hở mạch thì máy biến dòng sẽ bị cháy. c) Máy biến áp hàn Máy biến áp hàn là loại máy biến áp đặc biệt dùng để hàn bằng phương pháp hồ quang điện. Người ta chế tạo máy biến áp hàn có điện kháng tản lớn vá thêm vào cuộn điện kháng ngoài. Vì thế đường đặc tính ngoài của máy rất dốc, phù hợp với yêu cầu hàn điện, sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn như hình 3.13. Hình 3.13 Chương 3: Biên áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 47 Khi cho que hàn tiếp xúc với kim loại sẽ có dòng điện lớn chạy qua que hàn làm nóng chỏ tiếp xúc, khi nhấc (nâng) que hàn lên một khoảng nhỏ, vì cường độ điện trường lớn làm ion hoá chất khí, sinh hồ quang và toả nhiệt lượng lớn làm nóng chảy kim loại chỗ hàn. Muốn điều chính dòng điện ih ta có thể thay đổi sô vòng dây ở cuộn thứ cấp hoặc thay đổi điện kháng cuộn k bằng cách thay đổi khe hở không khí ỗ. II. CHỈNH LƯU 1. Khái niệm a) Phân loại - Dựa vào dòng điện ta có chính lưu một pha và chỉnh lưu 3 pha, dựa vào dạng sóng của điện áp (hay dòng điện) lấy ra được sau chỉnh lun ta có chính lưu nửa sóng (nửa chu kỳ) và chỉnh lun cả sóng (cả chu kỳ)ỗ b) Các tham số của mạch chỉnh lưu Hệ số nắn điện là đại lượng đo bằng tỉ số giữa điện dẫn thuận và ngược của điốt có: k . £ . Y»Ề Trong đó: Ylh là điện dẫn thuận của điốt; Yng là điện dẫn ngược của điốt; k càng lớn thì càng tốt hay Yth » Yng thì càng tốt. - Điện áp ngược cực đại Ungmax là điện áp ngược cho phép đặt lên điốt. Nếu điện áp ngược đặt lèn điốt lớn hơn diện áp này thì điốt sẽ bị hỏng. - Dòng điện ngược cực đại Ingmax: là dòng điện ngược lớn nhất cho phép qua điốt. Nếu dòng điện ngược chiều đi qua điốt lớn hơn giá trị nàv thì sẽ làm hỏng điốt. - Dòng điện định mức Iđm: là dòng điện cho phép qua lâu dài mà điốt không bị hỏng. - Công suất tổn hao cho phép Plhmax: công suất này chính là công suất tổn hao dưới dạng nhiệt của điốt, nếu cổng suất tổn hao lớn hơn công suất này sẽ làm hỏng điốt. 48 Giáo trình Nguồn điện thông tin 2. Các mạch chỉnh lưu a) Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ - Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có sơ đồ nguyên lý như hình 3.14, trong đó TR là biến áp có nhiệm vụ biến điện áp của lưới điện vào thành điện áp ra theo yêu cầu, D là điốt làm nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Z, là tải của bộ nắn. TR A(+) * Nguyên làm việc của mạch như sau: Giả sử ở nửa chu kỳ đầu, điện thế ở điểm A dương (+) và điểm B có điện thế âm (-) thì điốt D thông (vì có điện áp thuận) nên mạch ngoài sẽ có dòng điện chạy từ A qua D, qua Zt về B, khép kín mạch, dòng này gây nên sụt áp trên tải ứng với khoảng thời gian từ t| đến t2 trên sơ đồ hình 3.15, đó chính là điện áp ra (Ura). Hình 3.15 ứng với nửa chu kỳ tiếp theo, điểm (B) có điện thế (+) điểm A có điện thế (-) nên điốt D khóa vì bị điện áp ngược nên không có dòng điện chạy qua tải, vì vậy điện áp ra bằng 0 (ứng với khoảng thời gian t2 đến t3 trên đồ thị trong hình 3.15). Như vậy, cứ ứng với một chu kỳ của điện áp vào thì trên tải sẽ có nừa chu kỳ của điện áp ra (đó là một xung dương). Qua nguyên lý làm việc trên ta thấy: điện áp ra mạch chính lun nửa chu kỳ là những xung dương ngắt quãng như hình 3.15b Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 49 mạch có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện song có nhược điểm là điện áp ra là những xung dương ngắt quãng, nên có chất lượng kém. b) Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ Mạch điện thể hiện như hình 3.16 biến áp TR có nhiệm vụ biến điện áp của lưới điện thành điện áp ra theo yêu cầu sử dụng. TR phải có đầu ra giữa (5), các điốt D|, D2 làm nhiệm vụ chỉnh lưu, Zt là tải của bộ nắn. B -----------------------------1 -(-) Hình 3.16 * Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu như sau: - Ở nửa chu kỳ đầu (từ tị đến t2), giả sử điểm 3 có điện thế dương hơn điểm 4 thì điốt D, được phân cực nên Dị thông, còn điốt D2 được phân cực ngược nên D2 khoá. Dòng điện chạy trong mạch khép kín theo đường từ điểm 3 —» D, -» Zt —> điểm 5 —> điểm 3, có điện áp ra trên tải là Ưra có dạng như hình 3.18 ứng với thời điểm từ t| đến t2. - ứng với nửa chu kỳ sau (từ t2 đến t3), điểm 4 có điện thế dương hơn so với điểm 3 nên D, bị phân cực ngược và bị khóa, còn D2 được phân cực thuận, D2 thông, dòng tải sẽ đi theo đường từ điểm 4 -» D2 —> Z, —> điểm 5 -» điểm 4 tạo nên điện áp ra Ura (xem hình 3.17 ứng với thời điểm từ t3 đến t4). UVẶ Hình 3.17 50 Giáo trình Nguồn điện thông tin Xét chu kỳ tiếp theo thì quá trình lại được lặp lại như chu kỳ đầu (như hình 3.17) cho thấy điện áp ra là những xung dương liên tiếp. c) Mạch chỉnh lưu kiểu cẩu Mạch chỉnh lun kiểu cầu cũng chính là mạch chỉnh lưu cả chu kỳ, các điốt được mắc theo kiểu cầu như hình 3.18. Hình 3.18 Ở đây, máy biến áp TR không có điểm giữa ở cuộn thứ cấp. * Nguyên lý làm việc của mạch như sau: ứng với nửa chu kỳ đầu, điện áp vào a dương hơn b nên Dj và D? sẽ phân cực thuận nên mở, còn D2 và D4 phân cực ngược nên khóa. D| và D3 mở sẽ cho dòng điện qua tải theo đường a - D-, - z, - - b. dòng điện này gây nên sự sụt áp trên tải là Ura. - Ở nửa chu kỳ tiếp theo (b dương hơn a) nên D2 và D4 mở, còn D, và D? khóa (vì DịVà D3 phân cực ngược, D2 và D4 phân cực thuận) dòng điện đi qua tải theo đường b - D2 - Z, - D4 - a. Dòng điện này gây nên sụt áp trên Z, là Ura. Qua phân tích trên ta thấy mạch chỉnh lưu kiểu cầu có dạng điện áp ra tương tự như mạch chỉnh lưu cả chu kỳ dùng 2 điốt như hình 3.17. Mạch nắn kiểu cầu có đặc điểm là điện áp ngược đặt lên mỗi điốt được giảm đi một nửa vì dòng điện ở mỗi nửa chu kỳ phải qua 2 điốt. d) Chỉnh lưu bội áp Muốn nâng cao điện áp ra trên tải khi điện áp thứ cấp của biến áp cố định người ta dùng mạch chỉnh lưu kiểu bội áp, sau đày ta sẽ xét mạch chỉnh lun nhân đôi điện áp. sơ đổ như hình 3.19. Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 51 a X Hình 3.19 * Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu như sau: Ớ nửa chu kỳ đầu điện thế điểm a dương, điện thế điểm X âm, Dị mở, tụ Cị được tích điện đến điện áp xấp xỉ bằng u 2max làm cho A dương, còn B âm. Ở nửa chu kỳ còn lại điện thế điểm X dương, a âm, D2 mở, tụ Q được nạp với điện áp xấp xỉ bằng u 2max làm cho điện thế điểm B dương, điểm c âm. Như vậy, từ A sang B đến c ta thấy điện áp tích điện trên 2 tụ bằng 2 lần điện áp tích điện trên mỗi tụ, vì phải mắc song song với 2 tụ nối tiếp đó nên cũng có cùng điện áp hạ trên 2 tụ, dòng điện một chiều qua tải do Cị và c> cung cấp, ở đây cần chú ý rằng D! và D2 chỉ làm nhiệm vụ tích điện trên C| và C2 theo dấu đã qui định chứ không đưa trực tiếp dòng điện một chiều ra tải. Nếu C| và c 2 càng lớn thì dòng điện ra tải càng bằng phẳng hơn và điện áp càng đạt gần tới u 2max đổ thị điện áp ra như hình 3.20. Uc, + Uc: Hình 3.20 Đổ thị điện áp ra của mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp 52 Giáo trình Nguồn điện thông tin ưu điểm của mạch này là có thể không dùng máy biến áp hoặc dùng máy biên áp có cuộn thứ cấp không cần tạo ra điện áp cao mà vẫn bảo đảm trên tải có được dòng điện một chiều thích đáng, nhược điểm là dòng chỉnh lưu nhỏ. e) Mạch chỉnh lưu tạo nguồn đối xứng Mạch chỉnh lun tạo nguồn đối xứng là mạch chỉnh lưu cho ra 2 điện áp một chiều có trị số bằng nhau nhưng cực tính ngược nhau, đối xứng nhau qua điểm đất (điểm O), sơ đổ mạch chỉnh lưu tạo nguồn đối xứng như hình 3.21. Uv Hình 3.21 Mạch chỉnh lưu tạo nguồn đối xứng Nguyên lý làm việc như sau: ở nửa chu kỳ đầu điểm a dương, điểm X âm thì D, mở cho It) qua Zị| tạo nên + Ura còn D3 mở cho 1(2 qua z t2 tạo nên - Ura. Ó nửa chu kỳ còn lại, điểm X dương hơn điểm a, nên D2 mở cho dòng qua Zt] tạo ra +Ưra, còn D4 mở cho It2 qua Z(2 tạo ra -Urd. Mạch chỉnh lưu tạo nguồn đối xứng hiện nay đang được dùng nhiều trong các mạch ổn áp đối xứng cấp nguồn cho các mạch' khuếch đại thuật toán và các mạch số. 3ệ Mạch chỉnh lưu 3 pha a) Mạch chỉnh lưu 3 pha đơn giản TR * TMT A H r B c Di T5CĨRT— DH---- D2 (+) It z, (-) Hình 3.22 Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 53 Mạch điện như hình 3.22 gồm một máy biến áp 3 pha, các cuộn dây phía sơ cấp có thể đấu sao hay tam giác, các cuộn dây thứ cấp đấu sao và có điểm giữa (O) vì thế mạch còn có tên là mạch chỉnh lưu 3 pha có điểm giữa, các cuộn dây thứ cấp được nối với 3 điốt D|, D2, D3, Z, là tải của bộ nắn. Hình 3.23 * Nguyên lý làm việc của mạch tuân theo qui luật: - Tại thòi điểm ta xét, điốt nào nối với pha có điện áp dương nhất thì điốt đó sẽ mở, còn các điốt khác sẽ khóa. Sau đây ta sẽ xét nguyên lý làm việc của mạch sau. Xét chu kỳ của dòng điện xoay chiều 3 pha (hình 3.23(a)). - Ở 1/3 chu kỳ đầu (từ t2 đến t3) ta thấy UA dương nhất nên D, mở cho dòng điện qua tải gây nên sụt áp trên tải một điện áp chính là điện áp ra Ura như hình 3.23(b). - Ở 1/3 chu kỳ tiếp theo pha B có điện áp dương hơn nên D2 mở tạo nên điện áp ra Ưra như hình 3.23(c) điện áp này ứng với khoảng thời gian từ t3 đến t4. - ơ 1/3 chu kỳ còn lại, pha c có điện áp dương hơn nên D, mở cho dòng điện qua tải và tại nên một điện áp ra như hình 3.23(d), điện áp này ứng với khoảng thời gian từ t4 đến t5 và tị đến t2ẳ Như vậy trong một chu kỳ của dòng điện xoay chiều 3 pha, 3 điốt sẽ thay nhau mở, mỗi điốt sẽ mở ở 1/3 chu kỳ và khoá ở 2/3 chu kỳ còn lại và kết quả ta sẽ được điện áp ra một chiều tương đối bằng phảng như hình 3.23(e). 54 Giáo trình Nguồn điện thông tin b) Mạch chỉnh lưu kiểu cầu 3 pha Mạch chỉnh lưu kiểu cầu pha còn lại gọi là mạch chỉnh lưu La-li-ỏ-nốp. sơ đổ mạch điện như hình 3.24. (+) Di Ds D5 TR Ằ Ậ Ậ - m m - -JM M - d2. D4__De. Hình 3.24 Ur, (-) Trong mạch gồm có một máy biến áp 3 pha và 6 điốt đấu thành mạch cầu và chia thành 2 tổ: một tổ gồm các điốt lẻ và một tổ gồm các điốt chẵn. Nguyên lý làm việc: Mạch làm việc tương tự như mạch chinh lưu 3 pha đơn giản. Tức là nhóm điốt chẵn sẽ mở khi điện áp của pha nào nối với nó là âm nhất. Như vậy, dòng điện chỉnh lưu sẽ đi qua một pha có điện áp dương nhất, qua điốt nối pha đó - qua Zt rồi qua điốt nối với pha điện áp âm nhất. Nghĩa là ở bất kỳ thời điểm nào, trong mạch điện cũng có 2 điốt cùng làm việc (cùng mở), trong đó một điốt nhóm lẻ và một điốt ở nhóm chẵn, các điốt thay nhau làm việc, ta xét quá trình làm việc của điốt trong một chu kỳ của dòng điện xoay chiều 3 pha như sau: - Ở 1/3 chu kỳ đầu, điện áp pha a dương nhất, pha b và c lần lượt đạt giá trị âm nhất nên D, và D4 mở cho dòng điện một chiều qua tải Zt đến điểm k thì D4 khóa và D6 mở để cho dòng điện một chiều qua tải, dòng điện này tạo ra Ura trên tải ứng với khoảng thời gian từ t2 đến t3. - ơ 1/3 chu kỳ tiêp theo thì pha b có điện áp dương nhất còn pha c và pha a lần lượt có điện áp âm nhất nên điốt D6, D2 mở. Dòng điện sẽ đi từ pha b qua D3 - qua z t qua D6 về pha c, khi pha a đạt giá trị âm nhất (bắt đầu từ điểm L) thì D* khóa D2 mở, dòng điện sẽ từ pha b qua D? qua z, qua D2 về pha a và tạo nên sụt áp trên z gọi là điện áp ra ứng với khoảng thời gian từ ụ đến t4 trên hình 3.25(c). Chương «3.Ệ Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 55 - Ở 1/3 chu kỳ còn lại, pha c có điện áp dương nhất còn pha a và b lần lượt đạt giá trị âm nhất nên D5, D2 và D4 mở. Ta có điện áp ra ứng với khoảng thời gian từ t4 đến t5 và từ t| đến t2 như ở hình 3.25(d). Như vậy, sau một chu kỳ của dòng điện xoay chiều 3 pha ta sẽ có điện áp ra một chiều như ở hình 3.25(e) Nhìn vào hình vẽ điện áp ra sau chỉnh lưu hình 3.25 ta thấy điện áp bằng phẳng hơn mạch chỉnh lưu 3 pha đơn giản, sóng gợn của mạch này tương đương với nắn 6 pha, do đó đôi khi người ta còn gọi là mạch chỉnh lưu 6 pha. Trong mạch chỉnh lưu kiểu cầu 3 pha có 6 thời điểm các điốt chuyển giao việc mở cho nhau. Các điểm Q, V, p là điểm chuyển giao mở của các điốt thuộc nhóm lẻ, còn các điểm K, L, M là các điểm chuyển giao mở của các điốt thuộc nhóm chán. Mạch chỉnh lun kiểu 3 cầu pha ưu điểm là điện áp tương đối bằng phẳng, mạch từ không bị cưỡng bức từ nên hiệu suất cao hon, nó thường được áp dụng nhiều trong các máy nạp điện cho ắc qui hoặc bộ nguồn công suất lớn. III. CÁC MẠCH LỌC NGUổN 1Ể Khái niệm Trong các mạch chỉnh lưu (hay nắn điện) đã xét ở phần trên, ta thấy điện áp ra là những điện áp này còn nhiều thành phần gợn sóng nên không thể đưa vào cung cấp 56 Giáo trình Nguồn điện thông tin cho các thiết bị thông tin làm việc. Để đảm bảo cho các thiết bị làm việc được tốt, ta phải lọc bỏ thành phần gợn sóng của điện áp ra sau nắn, đưa điện áp sau nãn la những xung dương về gần như thuần tuý một chiều (bằng phẳng) để cung cấp cho các thiết bị thông tin. Mạch điện làm nhiệm vụ đó gọi là mạch lọc nguồn. 2. Các yêu cầu của mạch lọc - Không được phá vỡ chế độ làm việc bình thường của mạch chỉnh lưu. - Không được gây méo thêm cho thiết bị. - Không được gây ra quá trình quá độ làm hỏng van chỉnh lưu. - Tần số dao động riêng của bộ lọc phải khác xa tần số của thành phần gợn sóng mà nó phải lọc để tránh hiện tượng cộng hưởng, phá vỡ chê độ làm việc của mạch nắn. - Tổn hao trong mạch lọc phải nhỏ. 3. Mạch lọc dùng tụ điện /~ Uv /- Hình 3.26 - Mạch điện và dạng điện áp ra được thể hiện trên hình 3.26 và hình 3.27(a) và 3.27(b). - Hình 3.27(a) là điện áp đặt vào mạch lọc, đó là điện áp ra của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ. - Hình 3.27(b) là điện áp ra của mạch lọc dòng tụ điện ứng với điện áp đặt vào mạch lọc là điện ra của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ. - Hình 3.27(d) là điện áp ra của mạch lọc ứng với điện áp đưa vào mạch lọc là điện áp ra của bộ nắn cả chu kỳ. * Nguyên lý làm việc của mạch lọc dùng tụ điện như sau: khi đóng nguồn vào mạch, tụ điện được nạp điện trong khoảng thời gian từ 0 đến t,, điện áp trên tụ sẽ tăng từ 0 đến u ], đến thời điểm tị điện áp vào giảm nhỏ hơn Ưị, tụ điện sẽ phóng điện qua tải nên điện áp trên tụ sẽ giảm từ ư, đến u 2 ứng với khoảng thời gian tị đến t2, tại thời điểm t2 trở đi điện áp vào lại tăng lớn hơn u 2 nên tụ lại được nạp điện đến giá trị U| ứng với khoảng thời gian từ t2 đến t3... Từ thời điểm t3 trở đi, điện áp vào giảm nhỏ hơn U| nên tụ điện lại phóng điện. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy, tụ điện Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 57 cứ phóng nạp liên tục, đường phóng nạp của tụ chính là điện áp ra của mạch lọc cung cấp cho tải (hình 3.27(b) và 3.27(d)). Hình 3.27 Nếu trị số điện dung của tụ điện lớn thì điện áp ra của mạch lọc sẽ bằng phẳng hơn (đường phóng nạp của tụ điện bớt dốc hơn). Mạch lọc dùng tụ điện có ưu điểm là đơn giản, dễ chế tạo nhưng có nhược điểm là hiệu suất thấp vì phải dùng van có điện trở lớn, nếu không dễ gây ra quá tải do dòng nạp ban đầu lớn, đồng thời phải chọn van chịu được điện áp ngược lớn vì có sự phóng nạp của tụ đã nâng điện áp sau khi nắn tới gần Umax. 4. Mạch lọc dùng cuộn cảm Mạch lọc dùng cuộn cảm như hình 3.28, trong đó cuộn cảm L mắc nối tiếp với phụ tải. Tác dụng của cuộn cảm là dòng điện một chiều qua phụ tải được bằng phẳng hơn, vì XL = coL = 2nfL. Khi f tăng, dẫn đến XL tăng nên thành phần xoay chiều sẽ giảm. h ------- • ------ĩ— I uv ur Qz, ì --------------U Hình 3.28 Mạch lọc dùng cuộn cảm 58 Giáo trình Nguồn điện thông tin 5ễ Mạch lọc kết hợp a) Mạch lọc hình Y.dừng RC Mạch điện và dạng điện áp ra của mạch lọc hình r dùng RC như hình 3.29 và 3.30(b). / ----------------------L Hình 3.29 Hình 3.30 Mạch lọc hình r dùng RC về nguyên lý cũng giống như mạch lọc chỉ dùng tụ điện. Ở đây cần chọn R có trị số sao cho sụt áp trên đó nhỏ, đồng thời công suất tiêu tán trên điện trở R phải nhỏ hơn công suất danh định. Mạch lọc RC thường được dùng trong các máy thu, máy khuếch đại vì điện áp cấp cho các tầng trong máy thường không giống nhau. b) Mạch lọc hình r dùng LC - Mạch điện và dạng điện áp ra của mạch lọc hình r dùng LC được thể hiện như hình 3.31 và 3.32(b), chất lượng điện áp ra tốt hơn. Trong mạch điện. L có tác dụng làm tổn hao thành phần xoay chiều sau mạch chỉnh lưu vì XL = 271ÍL. Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 59 Hình 3.31 t Hình 3.32 - Còn tụ c có tác dụng thoát thành phần xoay chiều (vì x c = 1/27IÍC) và san bằng thành phần một chiều sau nắn nên điện áp ra được bằng phẳng hơn, ngoài ra vì có cuộn cảm L mắc trong mạch nên dòng nạp và dòng phóng của tụ không tăng đột ngột vì có hiện tượng tự cảm trong mạch. c. Mạch lọc hình n Mạch lọc hình n có 2 loại: một loại dùng RC (như hình 3.33) và một loại dùng LC (như hình 3.34). R uv Un Hình 3.33 60 Giáo trình Nguồn điện thông tin Hình 3.34 Mạch lọc hình n gồm 2 mắt lọc nối tiếp nhau, một mắt lọc dùng tụ điện c và một mắt lọc mắc theo hình r. Nếu gọi Kc là hệ số lọc dùng tụ c, Kr là hộ số lọc hình r thì hệ số lọc của mạch lọc hình n được tính là: K n = K c .Kr Như vậy, hộ số lọc của mạch lọc hình n sẽ lớn hơn rất nhiều so với các mạch lọc trước đã xét. Do đó hiện nay nó đang được dùng nhiều. Điện áp ra của bộ lọc hình n dùng LC có chất lượng tốt hơn so với điện áp ra của bộ lọc hình n dùng RC trong các bộ lọc hình n người ta thường chọn tụ C| và Q có trị số điện dung bằng nhau. Qua quá trình nghiên cứu các mạch chỉnh lưu và lọc nguồn, ta có thể vẽ được một số bộ nguồn gồm có chỉnh lưu và lọc điện như hình 3.35(a), (b). TR - .°1 (+)/- ■W Uv (-)*- (+)/- Uy' (-)A - d2 (-) t i c zI.. ĩUr; (a) (-) (b) Hình 3.35 Bộ nguồn gồm có chỉnh lưu và lọc nguồn Chương 3: Biến áp, chỉnh lưu và lọc nguồn 61 Câu hỏi ôn tập 1. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp? 2. Nêu cách ký hiệu và các đại lượng định mức của máy biến áp? 3. Trình bày về từ thông và sức điện động trong máy biến áp? 4. Viết các phương trình cân bằng về điện và từ trong máy biến áp? 5. Nêu cách tính tổn hao và hiệu suất trong máy biến áp? 6 . Trình bày cấu tạo và tổ đấu dây trong máy biến áp 3 pha? 7. Nêu công dụng và đặc điểm cấu tạo của các máy biến áp đặc biệt? 8 . Vẽ các mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, cả chu kỳ? Trình bày nguyên lý làm việc của các mạch chỉnh lưu? 9. Vẽ các mạch lọc dùng tụ điện, mạch lọc hình r và mạch lọc hình n dùng LC? Hãy so sánh các mạch lọc đó? 10. Vẽ sơ đổ bộ nguồn gồm có chỉnh lưu và lọc nguồn? Cho biết tác dụng của các linh kiện trong mạch? 62 Giáo trình Nguồn điện thông tin I. KHÁI NIỆM CHUNG Các thiết bị tiêu thụ nâng lượng điện (xoay chiều và một chiều) trong khi làm việc đều cần điện áp cung cấp ổn định, nhất là đối với thiết bị điện tử. Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị và tăng tính ổn định, tính chính xác trong hoạt động, sự ổn định của ngnổn cung cấp còn làm tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị. Trong khi đó các loại nguồn cung cấp hiện có như điện lưới, nguồn ắc qui, nguồn pin mặt trời.. ề luôn luôn không ổn định. Vì vậy, ổn định các loại nguồn cung cấp là yêu cầu không thể thiếu được trong trình vận hành, khai thác các thiết bị điện, điện tử chuyên dùng và dân dụng. Ngày nay, do sự tiến bộ về công nghệ điện tử, các thiết bị cung cấp điện (nhất là cho viễn thông) việc ổn định điện áp hay ổn định dòng điện đều được thực hiện một cách tự động với chất lượng rất cao. Các tham số cơ bản của bộ ổn định là hệ số ổn định, dải ổn định, hiệu suất và thời gian xác lập. Bổ ổn định Nr - -----— Urdm Hình 4.1 Bộ ổn định nguồn - Hệ số ổn định điện áp ra: nói lên tác dụng của bộ ổn định đã làm giảm độ không ổn định điện áp ra trên tải đi bao nhiêu lần so với đầu vào. Xét bộ ổn định như hình 4.1, ta có: + Độ khổng ổn định điện áp đầu vào: Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 63 + Độ không ổn định điện áp đầu ra: Trong đó: AUV, Aưr là độ lệch lớn nhất về một phía của điện áp đầu vào và đẩu ra so với các giá trị định mức của điện áp đầu vào, đầu ra Uvdm , ư rdm. Vậy độ on định điện áp của bộ ổn áp là: Nr AUr.Uvdm(4-1) - Dải ổn định Du, Dj nói lên độ rộng khoảng làm việc của bộ ổn định điện áp và bộ ổn định dòng điện. - Hiệu suất T|: khi làm việc, các bộ ổn định cũng tiêu hao năng lượng điện trên chúng, do đó ta có hiệu suất của bộ ổn định là: (4-2) Trong đó: Pr là công suất có ích trên tải của bộ ổn định; Pv là công suất mà bộ ổn định yêu cầu từ đầu vào; Plh cồng suất tổn hao trên bộ ổn định. - Thời gian xác lập TXL của bộ ổn định: là khoảng thời gian cần thiết để đưa đại lượng không ổn định trên tải về giá trị định mức của nó kể từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự mất ổn định. Ngày nay, các bộ ổn định dùng linh kiện bán dẫn và IC nên TXL cực nhỏ và được coi là không có quán tính, phần tử cơ bản của bộ ổn định là phần tử hiệu chinh (PTHC). + Dựa theo cách mắc phần tử hiệu chỉnh với tải, ta có các bộ ổn định song song, các bộ ổn định kiểu nối tiếp. + Dựa theo loại dòng điện mà bộ ổn định làm việc, ta có bộ ổn định xoay chiều, bộ ổn định một chiều. + Nến dựa theo đặc tính làm việc của phần tử hiệu chính, ta có bộ ổn định kiểu liên tục và bộ ổn định kiểu ngắt quãng. Sau đây ta xét một số mạch ổn định điện áp xoay chiều và một chiều điển hình 64 Giáo trình Nguồn điện thông tin II. ỔN ÁP XOAY CHIỂU Để ổn định điện áp của nguồn xoay chiều, người ta thường sử dụng các mạch ổn áp sau đây: 1. Ổn áp xoay chiểu dùng cuộn chặn bão hòa Mạch ổn áp xoay chiều dùng cuộn chặn bão hoà được thể hiện trên hình 4.2. Li y-----*----- '11 •l 2 uv ----------- i. ------------i j L2 U ------------1 ’ Hình 4.2 Mạch Ổn áp xoay chiều dùng cuộn chặn băo hòa Trong sơ đổ, cuộn chặn L) khi làm việc ở chế độ xa bão hoà, quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên nó là quan hệ đường thẳng, cuộn chặn L2 mắc song song với tải, làm việc ở chế độ bão hoà mạch, quan hộ giữa dòng điện và điện áp trên nó là đường thẳng. * Nguyên lý làm việc: giả sử khi Uv tăng lớn hơn giá trị định mức thì dòng điện qua cuộn L2 tăng, vì cuộn L2 làm việc ở chế độ bão hòa nên độ từ thẩm hiệu dụng của lõi thép là: , - dB bị giảm, do đó cuộn kháng XL2 bị giảm, sự giảm XL2 khi IL2 tăng sẽ làm cho điện áp trên nó không đổi, kết quả là điện áp ra cũng không đổi: Ưr w UL2 ~ const Sự giảm của XL2 khiến dòng qua nó tăng nhưng không tỉ lệ với điện áp vào mà tăng với mức độ lớn hon, nên dòng điện iL1 qua cuộn L, cũng tăng theo khiến sụt áp trên cuộn Lj tăng. Như vậy lượng tăng của điện áp Uv đặt gần như hoàn toàn trên cuộn chặn Lị, vì cuộn L, là cuộn chặn tuyến tính. Nghĩa là: AUV « AUL1 Do lượng biến đổi AUV luôn đặt trên cuộn Lị và tải mắc song song với cuộn L2 nên điện áp ra trên tải được ổn định. Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 65 2. On định cộng hưởng sắt từ Trong thực tế, để mở rộng dải ổn định, người ta sử dụng kết hợp tính chất bão hoà của lõi sắt với tính chất cộng hưởng, ta có mạch bộ ổn định cộng hưởng sắt từ như hình 4.3(a). Trong sơ đồ, cuộn chặn bão hoà L2 mắc song song với tụ điện c, hai phần tử này phải được tính toán sao cho ứng với giá trị định mức của điện áp đầu ra Ưrdm thì khung L2 mắc song song với c cộng hưởng tại tần số của dòng điện đầu vào: Z c Trong đó: L2dm là giá trị điện cảm của cuộn L2 ứng với giá trị điện áp ra định mức Urđm. Tại điểm cộng hưởng, khung L2đmC có trở kháng tương đương rất lớn được coi là hở mạch và dòng qua khung bàng không, Ik = 0 (ứng với điểm A trên đặc tuyến V-A ở hình 4.3(b). a) Mạch điện b) Đăc tuyến V-A của khung cộng hưởng Hình 4.3 Nguyên lý làm việc: - Giả sử điện áp vào tăng: Uv > Uvđm thì điện áp ra cũng có xu hướng tăng lên, điểm làni việc sẽ từ A dịch về bên phải gốc toạ độ, giả sử là điểm B. Lúc này dòng ik mang tính cảm và khung L2C lúc này tương đương một điện cảm. - Khi Uv giảm: Uv < Uvdm thì điện áp ra cũng có xu hướng giảm, điểm làm việc từ A dịch về bên trái gốc toạ độ, giả sử là điểm c, khi đó dòng điện ik mang tính dung và khung L2C được thay thế bằng một điện dung tương đương. Khi khung L2C mang tính cảm thì dòng qua L, được tăng lên iL!= ik + i, nên sụt áp trên Lị tăng, do đó sự tăng của Uv lên L,. Khi khung L2C mang tính dung thì dòng qua L| giảm đi: iL1 = -ik + i, nên sụt áp trên L| giảm, sự giảm của Uv được đặt lên L|. 66 Giáo trình Nguồn điện thông tin Nhìn trên đặc tuyến V-A ta thấy trong cả 2 trường hợp điện áp ra tăng và giảm với mức độ rất nhỏ, vì thếđiện áp ra được giữ ổn định với dải rộng hơn. 3. Ôn áp xoay chiều dùng biến áp tự ngảu Ổn áp đã xét ở hình 4.2, 4.3 cho ta Ur < Uv để có thể nhận được bất kỳ giá trị nào của Ur thì cuộn chặn \^2 được thay thế bằng biến áp tự ngẫu AT như sơ đổ hình 4.4. Trong đó AT là máy biến áp tự ngẫu tăng áp w2> Wị để có thể nhận được Ur > Uv. H * -------Li v\fe oAT u > W, ỉ------------------ --------------- ✓ Hình 4.4 Mạch Ổn áp xoay chiều biến áp tự ngẫu Số vòng của cuộn dây phụ Wp có tác dụng làm tăng điện cảm của khung dây, do đó trị số của điện dung c được giảm nhỏ. Cuộn WB quấn trên cùng một lõi thép với cuộn chặn tuyến tính L| có tác dụng tăng dải ổn định của Ura, về nguyên lý làm việc thì mạch ổn áp xoay chiều cũng tương tự mạch ổn định cộng hưởng sắt từ. III. ỔN ÁP TUYẾN TÍNH I. Các bộ ổn định điện áp một chiều với phần tử hiệu chỉnh song song a. Mạch ổn định điện áp bằng điốt ổn áp (điốt zener) Trong mạch ổn định người ta dùng điốt zener là phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải, sơ đồ như hình 4.5(a). Điốt zener có đặc điểm là: - Nếu đặt điện áp thuận vào điốt zener thì đặc tính'của nó giống các điốt thông thường. - Nếu đặt điện áp ngược thì nó có thể làm việc được sau điểm đánh thùng A trên đặc tuyến V-A (Hình 4.5(b)) tức là trong khoảng AB chừng nào dòng điện ngược qua nó chưa vượt quá một giới hạn cho phép Ingmax (IZmax)- Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 67 Từ đặc tuyến V-A của điốt zener ta thấy: trên đoạn AB của dòng điện ngược, sự biến đổi AIZ = IZmax - IZmjn là rất lớn, còn điện áp ngược trên nó lại biến đổi rất ít. AUZ = UZmax - UZmin rất nhỏ. Người ta lợi dụng đoạn AB của đặc tuyến V-A của điốt zener làm phần tử hiệu chỉnh để ổn định điện áp một chiều, khoảng làm việc ổn định của điốt zener được chọn trong khoảng AB. Hình 4.5 * Nguyên lý Ổn định điện áp như sau: Từ sơ đổ mạch điện ta có Ur = Ưz UV = ƯR+ u z Khi Uv tăng thì điện áp ngược đặt lên điốt zener cũng tăng, khi Ưv tăng tới ngưỡng của mức điện áp ổn định thì dòng điện ngược qua điốt sẽ tăng vọt lên làm sụt áp trên R tăng lên. Vì: /I = Iz +I, / / UR = IR ........................ / / mà Ur = u z + uv - UR ~ const Ta thấy lưọrng tăng Uv được đặt trên R nên Ur ổn định, điện trở R để hạn chế dòng diện ngược Iz qua điốt không vượt quá Izmax sẽ làm hỏng điốt. 68 Giáo trình Nguồn điện thông tin Hệ số ổn áp: K lế = (4-3) AUr R, Rz R, AUV và AUr là sự biến thiên của điện áp vào và điện áp ra của bộ ổn áp so với điện áp vào và điện áp ra định mức Rz là điện trở động của điốt zener. Từ công thức (4-3) ta thấy nếu điốt zener có điện trở động càng nhỏ thì độ ổn định càng cao. Mạch ổn định điện áp bằng zener chí sử dụng cho tải yêu cầu công suất nhỏ, vì hiệu suất thấp (r| < 50%) do tổn hao trên R lớn. Muốn tăng hệ số ổn áp Ku ta có thể mắc 2 khâu ổn áp bằng điốt zener như sơ đồ trong hình 4.6, khi đó ta có hệ số ổn áp: Ku = KU|.KU2 Ri R2 M -----c Hình 4.6 On áp dùng đi ốt zener 2 khâu Các mạch ổn áp dùng điốt zener được dùng thông dụng trong các bộ tạo điện áp chuẩn cho các bộ ổn áp dùng tranzito và các bộ so sánh trong các mạch cảnh báo, bảo vệ của các bộ nguồn. b. Mạch ổn định điện áp dùng Tecmitto Tecmitto là một loại điện trở nhiệt chế tạo bằng chất bán dẫn, đặc điểm của tecmitto là loại điện trở không đường thẳng có hệ số nhiệt độ âm rất lớn có dạng: R t = A.e - a T Trong đó a T: hệ số nhiệt của tecmitto T : nhiệt độ tuyệt đối của tecmitto Khi nhiệt độ của tecmitto tăng lên 100°c thì điện trở bản thân của nó giảm từ 20 đến 400 lần, người ta lợi dụng tính chất này để ổn định điện áp ra cho tải. Sơ đồ như hình 4.7, trong đó Rp để bảo vệ cho tecmitto và chọn chế độ làm việc tốt nhất cho tecmitto. Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 69 + >- u h -------------- ị Rcb Hình 4.7 Mạch Ổn áp một chiều dùng tecmitto * Nguyên lý làm việc của mạch như sau: Giả thiết vì một lý do nào đó mà Uv tăng vượt giá trị định mức Uvdm dòng điện qua tecmitto cũng tăng lên, dòng điện qua tecmitto tăng làm cho nhiệt độ của tecmitto tăng dẫn đến điện trở bản thân của nó giảm xuống. Điều này gây nên sự sụt áp trên tecmitto giảm, còn sụt áp trên Rp lại được tăng tỉ lệ với độ tăng của dòng điện khiến điện áp ra: Ưr = UT + Up = const Lượng tăng của dòng điện qua tecmitto gây nên sụt áp trên Rcb tăng, như vậy lượng tăng của điện áp vào đặt hoàn toàn trên Rcb nên điện áp ra được giữ ổn định. - Khi điện áp vào vì một lý do nào đó bị giảm nhỏ hơn Ưvdm thì quá trình lại ngược lại. 2. Các mạch ổn định điện áp một chiểu với phần tử hiệu chỉnh (PTHC) nối tiếp kiểu liên tục a. Sơ đồ khối Các bộ ổn định điện áp một chiều với phần tử hiệu chình nối tiếp kiểu liên tục còn gọi là bộ ổn áp có hổi tiếp, sơ đồ khối như hình 4.8. Mạch ổn định điện áp có hồi tiếp có hệ số ổn định cao cũng như cho công suất lớn. Trong sơ đổ, phần tử hiệu chỉnh được điều khiển bằng tín hiệu một chiều từ bộ khuếch đại, phân tử hiệu chỉnh là các tranzito công suất lưỡng cực hay tranzito công suất trường, làm việc ở chế độ khuếch đại, ở chế độ đó, điện trở tiếp giáp (CE hoặc DS) biến đổi theo điện áp đầu ra. 70 Giáo trình Nguồn điện thông tin Hình 4.8 Sơ đồ khối bộ ổn định điện áp có hồi tiếp Điện áp ra qua mạch hổi tiếp đưa về bộ so sánh, mạch hồi tiếp có thể đưa điện áp ra hay một phần điện áp ra trở về bộ so sánh, mạch hồi tiếp phần lớn là một bộ phân áp hay phân dòng. Bộ so sánh thực hiện việc so sánh giữa điện áp ra trên tải (qua mạch hồi tiếp) với nguồn điện áp chuẩn, kết quả so sánh được một tín hiệu Ưs cũng là điện áp một chiều, tín hiệu một chiều Us có thể đưa thẳng đến để điều khiển PTHC hoặc thông qua bộ khuếch đại để tăng hiệu quả điều khiển. Bộ khuếch đại là bộ khuếch đại một chiều để khuếch đại điện áp so sánh (còn gọi là điện áp sai lệch) trước khi đưa đến điều khiển PTHC để tăng hệ số ổn định của mạch. Như vậy bộ khuếch đại có thể có, có thể không tuỳ theo yêu cầu của hệ số ổn định. Nguồn chuẩn là nơi tạo ra điện áp ổn định không phụ thuộc vào sự biến đổi của Uv và Ur để cung cấp cho bộ so sánh, thường dùng điốt zener để tạo nguồn chuẩn. Sau đây ta sẽ nghiên cứu một số mạch ổn áp một chiều với hiệu chỉnh nối tiếp kiểu liên tục. b. Mạch ổn định điện áp vắng khuếch đại Bộ ổn định điện áp không khuếch đại là bộ ổn định điện áp đơn giản, nó cấu tạo như hình 4.9. Trong sơ đồ T đóng vai trò là PTHC kiêm cả bộ so sánh. ZD tạo điện áp chuẩn Uch và giữ cho thế ở cực B của đèn T không đổi. R là điện trở định thiên cho đèn T. Từ sơ đồ ta có: Uv = UEC + Ur Ur = UE(X) + UEB (4-4) Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 71 Vì UEB rất nhỏ nên Ur = UE(T) R T u Rt + + Hình 4.9 Sơ đồ ổn áp một chiều vắng khuếch đại * Nguyên lý làm việc: - Giả sử vì một lý do nào đó làm cho Ur giảm (hoặc Uv giảm) khi Ur giảm làm cho ƯEB giảm. Thế của cực gốc B so với lúc đầu bớt dương hơn, nghĩa là thế tại B âm hơn lúc đầu, khi B âm hơn sẽ làm đèn T được áp điện thuận lớn hơn, đèn T sẽ dẫn thông hơn, nội trở của tranzito giảm, làm cho sụt áp trên tiếp giáp EC của tranzito (UEC) nên điện áp ra tải lại tăng và kết quả Ưra không đổi vì: Ưv = ƯEC + ư r -> Ur = ư v - UEC = const \ \ - Trường hợp khi Uv tăng ta phân tích ngược lại hình 4.9 là mạch ổn áp dùng tranzito thuận (pnp) nếu dùng tranzito ngược (npn) thì sơ đồ mạch điện như hình 4.10. Hình 4.10 Mạch ổn áp một chiều vắng khuếch đại dùng tranzito npn Ở mạch điện này, nhờ có điện trở điều chỉnh Rp mà ta có thể điều chỉnh được điện áp ra theo ý muốn. 72 Giáo trình Nguồn điện thông tin c. Mạch ổn định điện áp có khuếch đại, so sánh Mạch điện của bộ ổn áp có khuếch đại, so sánh như hình 4.11. Trong đó T| làm phần tử hiệu chỉnh (giữ ổn định điện áp ra). T2 làm nhiệm vụ khuêch đai và so sánh, nó khống chế T, làm cho T, có khả năng điều chinh điện áp ra. U e c Hình 4.11 Mạch Ổn định điện áp có khuếch đại R| định thiên cho Tj và cũng là tải của T2, R2 có tác dụng dẫn điện áp đặt vào đi ốt ZD. Điốt zener ZD tạo điện áp chuẩn tức là giữ cho thế trên cực E của T: không đổi, Rt, R4, Rs có tác dụng định thiên cho T2 và điều khiển dòng 1(32- Nguyên lý làm việc: từ sơ đồ mạch điện ta có: Ư v = U ECắ + U r Ur = ư v - UEC(T1) - Giả sử vì một lý do nào đó làm cho điện áp vào Uv tăng dẫn đến Ur trên tải tăng, lúc này điện áp phân phối trên Rv R4, Rs tăng, vì vậy làm cho thế trên cực gốc B của T2 âm hơn dẫn đến T2 thông hơn tức nội trở của T2. R1(T2) giảm dẫn đến le, tăng. Khi Ic2 tăng thì thế ở cực gốc B của T, tăng (dương lên) làm cho T, kém dẫn thông hơn, tức là nội trờ của T, tăng RI(T1) tăng vì vậy sụt áp trên T, (ƯEC(T1)) tăng nên Ur = Uv - UEC(T1) = const. - Trường hợp UN giảm thì phân tích ngược lại. d. Mạch ôn áp hồi tiếp có khuếch đại so sánh với nguồn dòng Mạch ổn áp trên hình 4.11 chỉ ổn áp tốt khi phụ tải thay đổi, còn khi Uv thav đổi thì tác dụng ổn áp không tốt lắm (Ku « 20) vì dòng qua R| thay đổi theo u . Chương 4ế- Các mạch ổn định nguồn điện 73 Để khắc phục, người ta thay R, bằng một nguồn dòng gồm T3, R|, R4 và ZD2 như hình 4.12. Hình 4.12 Mạch ổn áp hồi tiếp có khuếch đại so sánh với nguồn dòng Dòng Colecto IC3 được xác định: (4-6) Với mạch ổn áp hình 4.12 thì hệ số Ku = 10.000 đến 100.000 lần, có thể thay đổi được Ur bằng cách điều chỉnh R2 mà dòng Ic2 vẫn không đổi. e. Mạch Ổn áp dùng khuếch đại thuật toán Muốn tăng hệ số ổn định của bộ ổn áp, người ta dùng bộ khuếch đại thuật toán làm bộ khuếch đại so sánh thay cho T2 ở các bộ khuếch đại trên. Vì bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn (hình 4.13). & Ti Op-Ai— u ur Hình 4.13 Mạch Ổn áp dùng khuếch đại thuật toán Trong sơ đổ, tranzito Tj là phần tử hiệu chỉnh (PTHC). Op-Amp là bộ khuếch đại so sánh R,, ZD tạo điện áp chuẩn Uch đưa vào đầu (+) của Op-Amp. 74 Giáo trình Nguồn điện thông tin Uv đưa hồi tiếp về đầu (-) qua bộ phân áp R2. R}, với bộ ổn áp này Ur biên thiên rất ít vì Uch được tạo từ Urnên dòng qua ZD biến thiên rất ít. Muốn điéu chinh được điện áp ra thì thay R2 bầng một biến trờ (chiết áp) bộ ổn áp này có hệ sô ổn định lớn nhưng dòng tải không lớn lắm. Khi dòng tải cần lớn thì ta dùng PTHC là mạch Darlington. g. Ôn áp khuếch đại thuật toán Dùng PTHC là sơ đổ Darlington. Khi dòng tải yêu cầu lớn. đòi hỏi PTHC phải có hệ số khuếch đại dòng lớn. Đê đạt được điều này, ta dùng PTHC là mạch Darlington như hình 4.14. Hình 4.14 Mạch Ổn áp dùng khuếch đại thuật toán PTHC là sơ đồ Darlington Mạch ổn áp này vừa cho dòng ra lớn Ir = P2-Pi-lB2max trong đó Pi, P2 là hộ số khuếch đại dòng của Tị, T2. Mạch có tác dụng ổn định cao, vì mạch Darlington có trở kháng lớn, nên tải thay đổi cũng không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra của Op Amp nên Ưr rất ổn định. Tuy nhiên dòng điện ra vẫn bị giới hạn bởi dòng điện ICmax của Tị. Muốn dòng ra cao hơn nữa ta dùng PTHC là các tranzito công suất mắc song song như hình 4.15. Chú ý: Khi sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán cần nhớ rằng dòng ra cùa nó bị hạn chê nhỏ hơn hoặc bằng 20mA, n là s ố tranzito mắc song song, sao cho tổng dòng / của chúng không vượt quá 20mA (tức nỉHmax) < 20mA) để tránh tải làm hỏng IC. Khi mắc song song các tranzito ta nên mắc nối tiếp với cực E của các tranzito một điện trở RE để đảm bảo dòng qua các tranzito bằng nhau. Chương 4.Ễ Các mạch ổn định nguồn điện 75 3. Ổn định điện áp bằng vi mạch tích hợp (IC) Sự ra đời của các vi mạch tích hợp (IC) đã khiến cho việc thực hiện cấu trúc các bộ ổn áp một chiều trở nên đơn giản và thuận lợi hơn nhiều. Cấu trúc bên trong của IC ổn áp bao gồm đầy đủ các thành phần của một sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, có cả mạch hạn chế dòng và bảo vệ quá áp. IC ổn áp có 3 cực là: cực vào, cực ra và cực chung, mỗi loại IC được chế tạo theo các mức điện áp ra tiêu chuẩn dương hoặc âm, vì vậy mạch ổn định điện áp bằng IC cũng được chia làm 2 loại là mạch ổn áp dương và mạch ổn áp âm. a. Mạch ổn định điện áp dương: là mạch ổn áp có cực âm nối mát (hình 4.16). a) Mạch ổn định điện áp có ur cố định b) Mạch ổn định điện áp có ur thay đổi Hình 4.16 Mạch ổn áp dương dùng IC ổn áp 76 Giáo trình Nguồn điện thông tin b. Mạch ổn định điện áp âm: là mạch ổn áp có cực dương nối mát (hình 4.17). ị 1 LM 2 4 7905 II Uv 1' = C1 3 02 = Hình 4.17 Mạch Ổn áp âm dùng 1C Ổn áp ■ụ- D +1— Ụv - i An 78 XX ==C1 -4 + Ur - Hình 4.18 Mạch Ổn áp IC dùng cho mạch số Trong các mạch, C| và c 2 có tác dụng nối tắt các xung nhiễu để khỏi ảnh hưởng đến sự làm việc của IC, còn để điều chỉnh mức Ur theo yêu cầu của tải. Nếu sử dụng mạch ổn áp IC trong các mạch số thì đầu vào và đầu ra của IC nên có các tụ hóa c l5 C2 như hình 4.17. Trong các mạch số, vì tốc độ chuyển mạch rất nhanh từ giá trị 0 đến giá trị cực đại và ngược lại, điều đó sẽ làm cho điện áp nguồn biến đổi. Để tránh điều đó thì Cị, Q sẽ nạp bằng mức Uv, Ur và giữ cho Uv, Ur không đổi khi tải của mạch biến đổi. Vì mạch ổn áp chịu điện áp ngược kém, vì vậy khi có c 2, nếu khi hở tải mà nguồn vào bị ngắn mạch thì mạch có thể bị phá hỏng do điện áp ngược. Để tránh điều này, người ta mắc song song với IC một điốt D theo hướng ngược. Khi xảy ra ngắn mạch đầu vào thì Q sẽ phóng nhanh qua D làm cho Ur giảm nhanh, bảo vệ an toàn cho mạch. c. Mạch ổn áp IC đối xứng Mạch ổn áp đối xứng (còn gọi là mạch ổn áp lưỡng cực) hiện nay đang được dùng nhiều nhất trong các mạch khuếch đại thuật toán và các mạch sô'ế Mạch ổn áp đối xứng là mạch có hai điện áp ra có trị số bằng nhau, nhưng cực tính ngược nhau, đối xứng nhau qua điểm đất (điểm 0 ). Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 77 Mạch ổn áp đối xứng như hình 4.19. Hình 4.19 Mạch cấp nguồn Ổn áp đối xứng Mạch ổn áp đối xứng có thể dùng các bộ ổn định mà PTHC là các tranzito với bộ khuếch đại so sánh là IC khuếch đại thuật toán (như hình 4.20) mạch này chỉ dùng một nguồn điện áp chuẩn Dòng vào tĩnh của bộ khuếch đại thuật toán là không đáng kể so với dòng điện qua R7, R8 nên điện áp tại điểm P: Up = 0, điện áp 0 ở đầu đảo A', chính là điện áp chuẩn (R7 = R8). IV. ỔN ÁP NGẮT QUÃNG 1. Khái niệm Trong mục 2 của chương 4 ta đã xét về bộ nguồn ổn áp liên tục nối tiếp, ta thấy PTHC nối tiếp với tải, vai trò của PTHC như là một điện trở biến đổi tự động 78 Giáo trình Nguồn điện thông tin theo điện áp vào và tảiề Dòng điện qua PTHC là dòng điện liên tục có giá trị bằng giá trị của dòng điện phụ tải. Vì vậy, PTHC luôn luôn tiêu thụ một năng lượng điện. Dòng điện phụ tải càng lớn, dải làm việc ổn định càng rộng, thì PTHC tiêu thụ một công suất càng lớn, do đó hiệu suất của bộ nguồn này khá thấp (r| < 65%) và PTHC phải được toả nhiệt tốt nên làm tăng kích thước và trọng lượng của PTHC. Vào giữa những năm 70 của thế kỷ 20, người ta đã phát minh ra một loại nguồn ổn áp mới, đó là loại nguồn chuyển mạch (Switching Power) hay còn gọi là nguồn ổn áp ngắt quãng (nguồn xung). Bộ nguồn ổn áp ngắt quãng làm việc với hiệu suất rất cao (r| = 80 90%), dải làm việc ổn định rộng. Kích thước và trọng lượng nhẹ nên hiện nay đang được sử dụng nhiều. Để có khái niệm về nguồn ổn áp ngắt quãng (chuyển mạch), ta lấy một ví dụ như hình 4.2 l ễ — w —— i J t a i o 1J 2 s u » = ~ U S w 2 — ¥ Điều khiển đóng mở s Hình 4.21 Mô tả khái niệm vê nguồn ngắt quãng * Nguyên lý hoạt động: Nguồn điện áp một chiều Uv thông qua chuyển mạch s đặt vào sơ cấp biến áp TR. Khi s đóng có dòng điện qua W,, khi s mở sẽ không có dòng điện qua W|. Vì vậy, cuộn dây thứ cấp W2 cũng xuất hiện chuỗi xung cùng chiều với chuỗi xung trên cuộn sơ cấp Wj. Khi s đóng thì D| mở, dòng điện ID| qua cuộn chặn L và tải, cuộn L tích trữ năng lượng, khi s mở, dòng diện ID| mất đột ngột, năng lượng trên cuộn L đổi dấu làm D2 mở dẫn đến có dòng ID2 qua tải. Như vậy dòng điện qua tải liên tục cả khi s đóng và mở, ta có xung điện áp trên cuộn Wj, w 2 và điện áp ra trên tải như hình 4.22. Trong đó: ƯJ là biên độ xung trên cuộn Wj: U| = Uv u 2 là biên độ xung trên cuộn w 2 (giả thiết TR là biến áp hạ áp nên U2 > u ,) Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 79 Ur là điện áp một chiều trên tải T là chu kỳ đóng mở s 5 là thời gian đóng của khóa chuyển mạch s. w ư Tí số biến áp r\ = — = — và coi bô loc LC là lv tường thì ta có: Ư = i = u v- r _ V r r , n T(4-7) Đặt X = — gọi là độ xốp của xung (hệ số lấp đầy). Ta có: u r = u v n uUi 0 uu2 Uv Ur T Hình 4.22 Dãy xung điện áp trên cuộn w h w 2 và điện áp ra của mạch Từ công thức (4-7) ta thấy điện áp ra Ur phụ thuộc vào Uv và độ rộng của xung, từ đó ta thấy muốn Ur không đổi khi ư v thay đổi hoặc muốn Ur thay đổi khi ư v không đổi, ta làm thay đổi độ xốp của xung, có 3 cách không chế T. Đó là: - Thay đổi 5 và giữ nguyên T. - Thay đổi T và giữ nguyên ô. - Thay đổi cả T và ô. Cách thay đổi 5 và giữ nguyên T gọi là điều chế độ rộng xung (ĐRX) (Pulse Width Modulation - PWM), phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng phổ biến nhất trong các bộ nguồn kiêu chuyển mạch (ngắt quãng). Tất cả các bộ nguồn biên đổi một chiều thành một chiều (DC/DC) bằng phương pháp chuyển mạch có điều khiển điện áp ra thì gọi là bộ neuổn chuyên mạch (bộ nguồn ngắt quãng). 80 Giáo trình Nguồn điện thông tin 2. Sơ đồ khối của bộ nguồn ngắt quãng (bộ nguồn chuyển mạch) Sơ đồ khối bộ nguồn ngắt quãng như hình 4.23. Trong đó: (1): Bộ lọc nhiễu tần số cao (2): Bộ nắn và lọc sơ cấp (nếu Uv là một chiều thi không có phần này) (3): Phần chuyển mạch chính (4): Phần nắn lọc thứ cấp (5): Phấn hồi tiếp (lấy mẫu) (6): Phấn khuếch đại sai lệch (7): Tạo điện áp chuẩn (8): Tạo dao động sóng tam giác (9): Điều chế độ rộng xung (10): Bộ khuếch đại kích thích và đảo pha Hình 4.23 Sơ đồ khối của bộ nguồn ngắt quãng (hay bộ nguồn chuyển mạch) Đầu vào (9) còn có thể có các tín hiệu khống chế khác (p) để ngắt bộ nguồn. Tần số công tác (tần số chuyển mạch) của bộ nguồn xung thường trong khoảng 10kHz đến 100kHz, nếu tần số thấp thì khó lọc san bằng (lọc thứ cấp), các linh kiện lọc phải lớn (cuộn chận, tụ lọc), do đó kích thước và trọng lượng của bộ nguồn tăng, giá thành cao. Nếu tần số chuyển mạch thấp thì hiệu quả điều chỉnh hạn chế (giải điều chỉnh hẹp) tần số cao quá thì hiệu suất của bộ nguồn thấp, vì tần số cao (tần số vô tuyến) thì năng lượng điện sẽ phát xạ tại chỗ, năng lượng điện sẽ biến thành năng lượng từ trường, điện trường và nhiệt. Các bộ nguồn chuyển mạch trong thông thường làm việc với tần số 30kHz đến 65kHz, với dải tần làm việc trong khoảng từ 10kHz đến 100kHz thì các biến áp dùng lõi phe rít có từ thẩm hiệu dụng M lớn, do đó số vòng dây sẽ giảm đi rất nhiều, kích thước và trọng lượng của các biên áp áp, cuộn chặn rất nhỏ và do đó mà kích thước và trọng lượng của bộ nguồn chuyên mạch cũng rất nhỏ so với bộ nguồn thông thường có cùng công suất. Chương 4: Các mạch ổn định nguồn điện 81 Phần chuyển mạch chính sử dụng các tranzito và MOSFET công suất lớn, có tốc độ chuyển mạch cao, làm việc ở 2 trạng thái: bão hoà và ngắt nên tổn hao tranzito chuyển mạch rất nhỏ, do đó việc tỏa nhiệt cho chúng cũng đơn giảnể Với những đặc điểm đó làm cho bộ nguồn chuyển mạch có các ưu điểm hơn hẳn bộ nguồn ổn áp thông thường như: - Hiệu suất cao (từ 80-90%) trong khi các bộ nguồn ổn áp thông thường hiệu suất chỉ đạt nhỏ hơn 65 %. - Dải làm việc ổn định rộng. - Độ bền, tuổi thọ cao. - Kích thước và trọng lượng nhỏ. - Giá thành rẻ. 3. Các khối trong bộ nguồn chuyển mạch a. Khối lọc nhiễu đầu vào Khối lọc nhiễu đầu vào có cấu trúc như hình 4.24. > — —L c h— / 0 0 0 0 0 0 0 L _ r. _______ ________________c 2 = d.--------■■ i i l---- ư Hình 4.24 Mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào Mạch này có tác dụng để lọc bỏ các nhiễu cao tần, vì nguồn xung nên có rất nhiều các thành phần tần số cao gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác trong vùng. Bộ lọc sẽ chặn lại các tín hiệu nhiễu đó không đưa ra đường dày gây nhiễu, đồng thời nó cũng chặn các xung nhiễu cao tần từ ngoài không cho vào bộ nguồn để khỏi ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống chuyển mạch. Biến áp cao tần có rất ít vòng dây và bố trí như hình vẽ sẽ chặn lại các nhiễu cao tần đối xứng từ đầu vào và đầu ra. Còn đối với dòng cung cấp một chiều và xoay chiều có tần số f từ 50 đến 60Hz thì biến áp lọc có trở kháng coi như bằng không. Các tụ lọc Cj, c 2là các tụ cao tần (khoảng vài trục nF) để lọc các nhiễu cao tần đầu vào, đầu ra không đối xứng đối với tần số mang thì ZC| C-, = 00.