Trong bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thyristor. Đây là một linh kiện quan trọng trong các ứng dụng sử dụng điện xoay chiều.
Thyristor là gì
Trước khi vào nội dung chính thì chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sơ lược về chúng trước nhé. Thyristor hay còn gọi với cái tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử.
Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP). Chúng hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn khi không có điện. Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.
Lịch sử phát triển của Thyristor
Vào những năm 1950, Thyristor được đề xuất bởi William Shockley. Chúng được bảo vệ bởi Moll cùng một số người khác ở trong phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ). Thyristor được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà người đứng đầu là Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric vào năm 1957.
Đây là hình ảnh của ông Gordon Hall.
Cấu tạo Thyristor
Thyristor có cấu tạo gồm có 3 cực như sau : Anode (A), cathode (K), cực điều khiển (G), Thyristor đóng vai trò như một khóa điện tử có điều khiển bằng điện. Đặc tính của Thyristor chỉ cho phép dẫn điện từ Anode (A) sang Cathode (K) khi cho một dòng điện kích thích vào chân G.
Thyristor được cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn nối xen kẽ và được nối ra 3 chân như sau :
- A : anode — cực dương
- K : Cathode — cực âm
- G : Gate — cực điều khiển (cực cổng)
Cấu tạo của Thyristor được mô tả theo 3 góc nhìn : Lớp bán dẫn – ký hiệu trên bo mạch – mạch điều khiển
Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều.
Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng.
Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu.
Khi có một dòng điện nhỏ IG kích vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cực cổng G của SCR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền của IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước… Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR. Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA.
Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor.
Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng diệnduy trì IH (hodding current).
Ký hiệu và phân loại
Ký hiệu
Về mặt kí hiệu thì Thyristor sẽ khá giống với một con diode. Một diode thông thường sẽ cho phép dòng điện đi qua từ A sang tới K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K. Còn đối với một Thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó. Ngoài ra chúng còn cần thêm một điều kiện nữa là phải kích thích một dòng điều khiển đi vào chân G.
Có hai loại Thyristor, chúng được ký hiệu như hình vẽ dưới đây. Trong thực tế, chúng ta chỉ gặp phần lớn Thyristor loại P (chiếm khoảng 80%).
Phân loại
Dựa trên khả năng bật và tắt, Thyristor được phân thành các loại sau:
- Thyristor điều khiển silic hoặc SCR
- Thyristor cổng tắt hoặc GTO
- Thyristor cực phát tắt hoặc ETOs
- Thyristor dẫn điện ngược hoặc RCT
- Thyristor Triode hai chiều hoặc TRIAC
- Thyristor MOS tắt hoặc MTO
- Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc BCT
- Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCR
- Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR
- Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs
- Thyristor tích hợp cổng hoặc IGCT
Một vài hình ảnh các loại Thyristor hiện nay:
Dạng Module
Dạng bắt ốc (Stud)
Dạng Đĩa (Capsule)
Đặc tuyến Volt – Ampere của Thyristor
Ảnh biểu diễn lớp của Thyristor.
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3. Thyristor có ba cực : anôt A, catôt K, cực điều khiển G. Đặc tính vôn-ămpe của một Thyristor gồm hai phần.
Phần thứ nhất nằm trong góc phần thứ tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK>0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK<0
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0).
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt. Khi điện áp UAK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược.
Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung,max sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung,max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược.
Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anôt-catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt.
Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0).
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mô tả trên hình bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,… Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
Tình hình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0.
Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anôt đến catôt và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để Thyristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó, Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được.
Quá trình mở, khóa của Thyristor như thế nào?
Quá trình mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uth,max. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định.
Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.
Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ.
Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
Quá trình khóa Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anode – cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình.
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3.
Để khóa Thyristor lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của Thyristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi (trr), chỉ sau đó Thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều.
Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt. Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.
Dạng điện áp và dòng điện của Thyristor trong quá trình đóng cắt.
Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor
Yêu cầu về tín hiệu điều khiển Thyristor:
+ Đủ công suất thể hiện biên độ điện áp (UGK), dòng điện (IGK).
+ Độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng để đảm bảo dòng I V vượt qua giá trị dòng duy trì Ih, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn. Thực tế, độ rộng xung điều khiển chỉ cần cỡ 500µs là đảm bảo mở van với các dạng tải.
+ Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm qui định, thường tốc độ tăng điện áp điều khiển phải đạt 10V/µs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1A/µs.
Các thông số kỹ thuật chính
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor (Iv, tb)
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor là giá trị trung bình được phép chạy qua Thyristor trong điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép. Trên thực tế, giá trị dòng điện cho phép chạy qua Thyristor không cố định mà nó phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường. Nhìn chung, ta có thể làm mát dòng điện bằng một trong ba cách sau:
– Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép bằng một phần ba dòng cho phép Iv, tb.
– Làm mát cưỡng bức bằng nước: Dòng sử dụng cho phép bằng 100% dòng cho phép Iv, tb.
– Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba dòng cho phép Iv, tb.
Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung, max)
Đây là mức điện áp ngược lớn nhất được sử dụng trên Thyristor nếu không muốn Thyristor bị hỏng. Chính vì vậy, chúng ta phải luôn đảm bảo rằng điện áp giữa Anode và Cathode luôn nhỏ hơn hoặc bằng mức điện áp ngược cho phép lớn nhất. Ngoài ra, chúng ta cũng cần đảm bảo độ dự trữ nhất định về điện áp (Ung, max phải ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ).
Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor τ (μs)
Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode và cathode của Thyristor sau khi dòng anode-cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp Uak dương mà Thyristor vẫn khóa. Thông thường, ta phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần τ.
Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)
Bởi vì Thyristor là một linh kiện bán dẫn có điều khiển nên cho dù khi Thyristor được phân cực thuận mà không có tín hiệu điều khiển thì nó cũng không cho phép dòng chạy qua. Tốc độ tăng điện áp là một thông số để phân biệt giữa Thyristor tần số thấp với Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500-2000 V/μs.
Cách đo và kiểm tra Thyristor
Khi có Thyristor ta phải xác định chính xác 3 chân của nó : A-K và G
Ta dùng đồng hồ VOM chỉnh sang thang đo Ohm (Ω) x1, đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim không lên , dùng Tovit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ lên kim, sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt. Ngược lại thì Thyristor bị hỏng.
Để có thể đảm bảo riêng Thyristor còn hoạt động hay đã chết thì đòi hỏi chúng ta phải kiểm tra. Việc này có thể không cần thiết đối với các loại Thyristor mới mua. Nhưng với các loại đã mua dữ trữ lâu dài thì việc kiểm tra là điều nên làm. Tránh các trường hợp khi chúng ta đã hàn vào mạch rồi nhưng khí đó mới biết răng Thyristor đã hỏng thì rất khó xử lý thay mới. Lúc này sẽ làm kém thẩm mỹ board mạch cũng như phần nào đó làm ảnh hưởng đến các linh kiện và đường điện chạy trong board.
Các ưu điểm, nhược điểm khi sử dụng Thyristor
Ưu điểm
- Có khả năng xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn.
- Cầu chì có thể bảo vệ được Thyristor.
- Dễ dàng khi bật.
- Cấu tạo của mạch kích hoạt bộ chỉnh lưu sử dụng Thyristor rất đơn giản.
- Kiểm soát rất dễ dàng.
- Không mất nhiều chi phí.
- Có khả năng điều khiển nguồn xoay chiều.
Nhược điểm
- Thyristor chỉ điều khiển nguồn một chiều vì nó chỉ có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều.
- Mỗi chu kỳ, Thyristor đều phải được bật lên trong mạch xoay chiều.
- Không thể sử dụng ở tần số cao.
- Dòng điện ở cổng (gate) không thể âm.
Ứng dụng của Thyristor
Thyristor điều chỉnh dòng xoay chiều AC:
- Khi SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz hoặc 60Hz) thì vấn đề tắt SCR được giải quyết dễ dàng. Khi không có xung kích thì mạng điện xuống gần 0V, SCR sẽ ngưng. Dĩ nhiên ở bán kỳ âm SCR không hoạt động mặc dù có xung kích.
Để tăng công suất cho tải, người ta cho SCR hoạt động ở nguồn chỉnh lưu toàn kỳ.
Vì điện 50Hz có chu kỳ T = 1/50 = 20nS nên thời gian điện thế xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR.
Điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất điện và điều khiển tốc độ của động cơ điện.
Với tính chất của mình, Thyristor thường dược dùng trong các bộ Dimmer như sau:
Ứng dụng Thyristor trong các mạch bảo vệ quá dòng, quá áp
Do Thyristor có đặc điểm chỉ cần tín hiệu kích rất nhỏ vào chân G cũng có thể điều khiển được. Vậy nên chúng rất hay được sử dụng trong các mạch báo động, mạch bảo vệ quá dòng hoặc quá áp.
Thyristor ứng dụng trong mạch đèn khẩn cấp khi mất điện:
Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn.
Lời kết
Thyristor là một linh kiện được sử dụng rất nhiều trong việc điều khiển các thiết bị xoay chiều như đèn, động cơ,…. Chúng ta bắt gặp chúng rất nhiều trong các sản phẩm dân dụng vì đặc tính dẫn của nó.
Nếu cảm thấy bài viết có ích hay đánh giá và chia sẻ cho bạn bè. Đừng quên tham gia nhóm Nghiện lập trình để cùng trao đổi và kết nối nhé!