TRANG : 1 Chương 3: THYRISTOR 1. Cấu tạo và ký hiệu: Thyristor được viết tắt là SCR (Silicon Controlled Rectifier), gồm bốn lớp bán dẫn P 1 N 1 P 2 N 2 tạo thành như hình vẽ: + A : Anode(dương cực ) J 1 G : Gate J 2 (cực khiển) J 3 -K : Cathod(âm cực ) 2. Nguyên lý làm việc : Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, Anode nối vào cực dương, Cathode nối vào cực âm của nguồn, thì J 1 , J 3 được phân cực thuận còn J 2 bò phân cực ngược. Khi này toàn bộ điện áp đặt lên mặt ghép J 2 . Điện trường nội tại E i của J 2 có chiều từ N 1 hướng P 2 . Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E i vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy qua Thyristor, mặc dù nó bò đặt dưới điện áp thuận. a. Mở Thyristor. Nếu ta đưa một xung điện áp dương Vg (dương sg với K) tác động vào cực cổng (gate), các điện tử từ N 2 chạy sang P 2 . Khi này, một số ít của chúng chảy vào nguồn Vg đồng thời lúc này hình thành dòng điện điều khiển Ig chạy theo hướng G J 3 K G. Còn phần lớn điện tử, chòu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J 2 , lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc độ động năng cũng lớn lên, bẻ gãy các liên kết của nguyên tử Si, tạo nên những nguyên tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp. P 1 N 1 P 2 N 2 k G A SCR Hình I.12 Cấu tạo và ký hiệu của TRANG : 2 Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1 qua P 1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J 2 trở nên mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100 s. Điện trở của Thyristor khoảng 100k khi ở trạng thái khóa, còn trạng thái mở khoảng 0.01. J 1 J 2 J 3 k A K G Hình trên là một phương pháp mở Thyristor đơn giản. Khi nhấn S 1 (nối R 1 với cực cổng) thì Thyristor mở khi Ig >= Igst. Và thường lấy I g =(1.11.2)I gst . Điện trở R 1 được tính là : R 1 = E/(1.1 1.2)I gst R 2 = 100 1000 Trong đó I gst là giá trò cho dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Thyristor. Tóm lại Thyristor mở khi : V AK >1V và I g >= I gst. Thời gian mở t on là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy qua Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển và thời gian kéo dài khoảng 10s. b. Khóa Thyristor. Mỗi một khi Thyristor dã mở thì nó không phù thuộc vào dòng I g nữa. Để khóa Thyristor, có hai cách : Hình I.13 Sơ đồ mạch SCR điển hình. 1 + - 10V P 1 N 1 P 2 N 2 TRANG : 3 * Làm giảm giá trò dòng điện làm việc xuống dưới giá trò dòng duy trì I H . * Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (thường sử dụng ). Khi V AK < 0v thì J 1 , J 3 phân cực ngược còn J 2 phân cực thuận. Các điện tử, trước thời điểm đảo cực tính V AK , đang có mặt tại P 1 , N 1 , P 2 , giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Cathode về Anode, về cực âm của nguồn điện áp ngoài. Như hình ta thấy từ t 0 đến t 1 , dòng ngược khá lớn , sau đó J 1 rồi J 3 trở nên cách điện. Còn lại một ít điện tử bò giữ lại giữa hai mặt ghép J 1 và J 3 , hiện tượng khuếch tán sẽ làm cho chúng mất dần đi cho đến hết, đồng thời J 2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển. Thời gian t off được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng ngược (t 0 ) cho tới dòng điện ngược bằng 0(t 2 ), trong khoảng thời gian này nếu nó được đặt điện áp V AK thuận, lên Thyristor, thì Thyristor cũng không mở, t off kéo dài trong khoảng vài chục s. Thyristor mở +V AK Thyristor khóa. i I I ng max U toff U ng 0 t t Hình I.14 Các dạng sóng điện áp khi tắt SCR. TRANG : 13 3. Đặc tuyến Volt-Ampe của Thyristor. I(A) 3 2 Uz 0 1 Uch U (v) 4 Đặc tính Volt -Ampe của Thyristor gồm 4 đoạn : Đoạn 1 : Ứng với trạng thái Thyristor khóa, chỉ có dòng điện rò chạy qua Thyristor. Khi U tăng lên đến U ch (điện áp chuyển trạng thái ) - quá trình bắt đầu tăng trưởng nhanh chóng của dòng điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2 : Giai đoạn này phân cực của thuận của Thyristor. Trong giai đoạn này mỗi lượng tăng trưởng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor. Đoạn này được gọi là điện trở âm. Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả ba mặt ghép đều được phân cực thuận. Lúc này giá trò dòng chảy qua Hình I.15 Đặt tính volt – ampe của TRANG : 14 Thyristor chỉ còn phù thuộc vào điện trở của mạch ngoài và điện áp rơi trên Thyristor khoảng 1V. Thyristor được giữ ở trạng thái mở khi dòng điện I vẫn lớn hơn dòng duy trì (I H ). Đoạn 4 : là trạng thái Thyristor bò đặt dưới một điện áp ngược và I ng bằng vài chục mA. Nếu U = U z thì Thyristor bò hư. 4. Những tổn hao của Thyristor. * Tổn hao do dòng điện thuận khi Thyristor ở trạng thái mở và khóa. * Tổn hao do dòng điện ngược. * Tổn hao do chuyển mạch. Bằng phương pháp tuyến tính hóa đường đặc tính ta có thể để tính được tổn hao do dòng điện thuận gây ra khi nó ở trạng thái khóa : 2 0 0 1 1 ththtbthtbthth UGUIidtu T p    Trong đó : P th là giá trò công suất trung bình khi Thyristor ở trạng thái khóa và điện áp trên nó là điện áp thuận.  1 ,U thtb , U th lần lượt là khoảng thời gian, giá trò điện áp trung bình, điện áp hiệu dụng mà điện áp đặt trên nó là điện áp thuận. u th , I là giá trò tức thời của áp và dòng khi Thyristor bò khóa. 5. Các thông số cơ bản cần quan tâm để chọn Thyristor. * Dòng điện thuận đònh mức I max. Nếu giá trò qua Thyristor lớn hơn giá trò I max thì nó sẽ bò hư * Điện áp ngược cực đại U ngmax Đây là điện áp lớn nhất mà Thyristor chưa bò đánh thủng. Nếu Thyristor có U ng > U ngmax thì nó bò hỏng. * Điện áp rơi U (V) * Dòng điện điều khiển cực G (mA) Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường điện thế U AK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực cổng (gate). Dùng I Gmin là trò dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I Gmin TRANG : 15 còn tùy thuộc vào công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì I Gmin càng lớn. Thông thường I Gmin = (1đến vài chục mA) . * Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/s) * Tốc độ tăng điện áp du/dt (V/s) * Dòng điện rò I co (mA) 6. Bảo vệ quá điện áp. Thyristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp đònh mức (gọi là quá điện áp ). Có hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp : Nguyên nhân bên trong : đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn (hình I.16a) .Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor. Do đó giữa anode và cathode của thyristor xuất hiện quá điện áp. Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xảy ra ngẩu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ nhảy, có sấm sét. Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RC, chúng được mắc như hình I.16b: Hình I.16b Hình I.16a t t i u AC R C SCR TRANG : 16 7. Ứng dụng : Dùng trong các mạch điền khiển động cơ, trong các mạch báo động… . >1V và I g >= I gst. Thời gian mở t on là thời gian cần thi t để thi t lập dòng điện chính chảy qua Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào. của TRANG : 2 Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1 qua P 1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây