Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 7: Thyristor

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 1 CHƯƠNG 7. Thyristor 1. Hiện tượng trễ 2. Điốt Shockley 3. DIAC 4. Cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển Silic - SCR (Silicon- Controlled Rectifier) 5. TRIAC 6. Transistor đơn nối – UJT (Unijunction Transistor) BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 2 Hiện tượng trễ ƒ Thyristor thuộc lớp cấu kiện bán dẫn có trễ. Do đặc tính trễ mà một hệ thống sẽ không trở về trạng thái ban đầu sau khi nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái không còn nữa ƒ Thyristor là cấu kiện bán dẫn có xu hướng ở trạng thái “mở” mỗi khi được bật, và có xu hướng ở trạng thái “tắt” mỗi khi được tắt. Một sự kiện nhất thời có thể lật thyristor sang trạng thái “mở” hoặc trạng thái “tắt” và nó sẽ tự duy trì ở trạng thái đó thậm chí sau khi nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái không còn nữa ƒ Do đó Thyristor được sử dụng như một cấu kiện chuyển mạch bật/tắt và nó không thể được sử dụng như là một bộ khuếch đại tín hiệu tương tự BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 3 ƒ Khởi đầu cho việc chế tạo ra thyristor bắt nguồn từ một cấu kiện có tên là điốt 4 lớp, còn gọi là PNPN điốt, hay điốt Shockley ƒ Một điốt Shockley bao gồm 2 transistor lưỡng cực, một transistor PNP và một transistor NPN mắc với nhau như hình vẽ 7.1 Điốt Shockley (1) Sơ đồ vật lý Sơ đồ tương đương Ký hiệu Hình 7.1 - Điốt Shockley: Sơ đồ vật lý, Sơ đồ tương đương, Ký hiệu Anốt Catốt Anốt Catốt BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 4 Nguyên lý hoạt động: ƒ Cấp nguồn cho mạch tương đương của điốt Shockley như h/vẽ ƒ Khi không có điện áp của nguồn cung cấp→ không có dòng điện ƒ Khi U bắt đầu tăng lên thì vẫn sẽ không có dòng điện bởi vì không có transistor nào ở chế độ dẫn (mở): cả hai transistor sẽ đều ở chế độ ngắt Điốt Shockley (2) Hình 7.2 ƒ Dòng cực gốc chảy qua transistor ở phía dưới được điều khiển bởi transistor ở phía trên, và dòng cực gốc chảy qua transistor ở phía trên được điều khiển bởi transistor ở phía dưới. Nói cách khác chẳng transistor nào có thể dẫn điện cho đến khi transistor kia dẫn (hình 7.2) BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 5 Điốt Shockley (3) ™ Vậy làm thế nào mà một điốt Shockley có thể dẫn điện ? ƒ Nếu hai transistor thật được nối theo kiểu để tạo ra một điốt Shockley thì mỗi transistor sẽ dẫn khi có một điện áp đủ lớn giữa anốt và catốt để khiến một trong số chúng thoát ra khỏi trạng thái ngắt ƒ Mỗi khi một transistor thoát ra khỏi trạng thái ngắt và bắt đầu dẫn, nó sẽ cho phép dòng cực gốc chảy qua transistor còn lại làm cho transistor này dẫn điện theo cách thông thường, và sau đó cho phép dòng cực gốc chạy qua transistor đầu tiên. Cuối cùng thì cả hai transistor sẽ đều bão hoà và sẽ giữ cho nhau ở trạng thái dẫn (on) thay vì ở trạng thái ngắt (off). ™ Nhưng làm cách nào để hai transistor lại trở lại trạng thái ngắt? ƒ Giảm U cung cấp tới một giá trị rất nhỏ sao cho chỉ có dòng điện rất nhỏ chảy qua các cực của transistor → một trong hai transistor sẽ ngắt, dẫn đến việc làm ngưng dòng cực gốc chảy qua transistor kia, khiến cho cả hai transistor đều rơi vào trạng thái ngắt BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 6 ƒ Đặc tuyến Vôm/Ampe là đường trễ kinh điển, khi tín hiệu điện áp đầu vào tăng lên và giảm xuống, dòng điện đầu ra không đi theo cùng một con đường đi xuống giống như khi nó đi lên ƒ Điốt Shockley có xu hướng duy trì ở trạng thái dẫn (on) một khi nó đã dẫn điện, và ở trạng thái tắt một khi nó đã ngắt điện. Không có chế độ “ở giữa” hay “tích cực” trong hoạt động của nó: nó chỉ thuần tuý là cấu kiện bật (on) hoặc tắt (off), giống như tất cả các Thyristor. Điốt Shockley (4) Dòng trong mạch Điện áp cung cấpHình 7.3 – Đường cong trễ BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 7 DIAC (1) ƒ DIAC: hai điốt Shockley có thể được mắc song song với nhau theo 2 hướng ngược nhau. Diac có thể có hoạt động song hướng (AC) Mạch tương đương của DIAC Ký hiệu của DIAC Hình 7.4 – DIAC BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 8 DIAC (2) ™ Nguyên lý hoạt động: ƒ Khi cấp một điện áp một chiều vào hai đầu của DIAC thì nó hoạt động giống hệt như một điốt Shockley. ƒ Tuy nhiên, khi cấp một điện áp xoay chiều (AC) vào hai đầu của DIAC thì nó hoạt động hoàn toàn khác. Do dòng điện liên tục đảo chiều, các DIAC sẽ không duy trì ở trạng thái “chốt” lâu hơn một nửa chu kỳ. Nếu một DIAC bắt đầu “chốt”, nó sẽ chỉ tiếp tục dẫn dòng chừng nào điện áp đủ lớn để đưa đủ dòng điện theo hướng đó. Khi điện áp AC đảo chiều, DIAC sẽ ngắt do không đủ dòng điện và nó cần phải có một điện áp đủ lớn (breakover voltage) khác để khiến nó dẫn trở lại. Hình 7.4 mô tả dạng sóng của DIAC BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 9 DIAC (2) Điện áp khiến DIAC dẫn Điện áp khiến DIAC dẫn Điện áp nguồn cung cấp Dòng DIAC Dòng Anốt: +IA Dòng điện khiến DIAC dẫn, thông thường 50–200 μAĐiện áp đánh thủng, thông thường 20–40V Dòng điện đánh thủng, thông thường 50–200 μA Điện áp khiến DIAC dẫn, thông thường 20-40V Hình 7.5 – Các dạng sóng của DIAC Hình 7.6 Đặc tuyến Vôn Ampe của một DIAC song hướng Các DIAC không bao giờ được sử dụng một mình, mà thường được sử dụng kết hợp với các cấu kiện Thyristor khác. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 10 SCR: Silicon-Controlled Rectifier (1) ƒ Cấu tạo: quá trình biến điốt Shockley thành SCR chỉ cần thêm một sợi dây thứ 3 nối vào cấu trúc PNPN như mô tả ở hình vẽ 7.7 Sơ đồ vật lý Sơ đồ tương đương Ký hiệu Anốt Cực cửa Catốt Anốt Cực cửa Catốt Anốt Cực cửa Catốt Hình 7.7 – Cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển Silic (SCR) BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 11 ™ Nguyên lý hoạt động ƒ Nếu cực cổng G của một SCR để hở (không nối) thì nó hoạt động giống như một điốt Shockley. ƒ Do cực cổng G nối trực tiếp với cực gốc của transistor phía dưới, nó có thể được sử dụng như một phương tiện thay thế để “chốt” SCR ƒ Cung cấp một U nhỏ giữa cực cổng và catốt, transistor phía dưới sẽ buộc phải “dẫn” do có dòng cực gốc đủ lớn, kéo theo transistor phía trên cũng dẫn, và nó lại cung cấp đủ dòng điện cho cực gốc của transistor phía dưới. Kết quả là sau đó SCR không còn cần được kích hoạt bởi một điện áp cổng nữa ƒ Tất nhiên, dòng cực cổng cần thiết để khởi động việc “chốt” sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với dòng điện chảy qua SCR từ catốt đến anốt, do đó SCR sẽ có khả năng khuếch đại SCR (2) BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 12 SCR (3) ƒ Phương pháp buộc SCR dẫn điện được gọi là kích hoạt (triggering) và trong thực tế nó là cách thông thường nhất để SCR được “chốt”. ƒ Để tắt một SCR, dòng anốt phải giảm xuống dưới dòng giữ (holding current). Trong các mạch một chiều (DC) một số phụ kiện thêm vào phải được sử dụng để đảm bảo điều này. Trong các mạch xoay chiều (AC) một SCR sẽ tắt khi điện áp cung cấp (điện áp anốt) đi qua điểm 0 hướng tới các giá trị âm. (Dòng giữ) (trạng thái dẫn) (trạng thái tắt) điện áp khiến một transistor chuyển sang trạng thái dẫn (trạng thái chặn ngược) điện áp dẫn (điện áp đánh thủng ngược) Hình 7.8 – Đặc tuyến V- A của một SCR BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 13 GTO (Gate-Turn-Off Thyristor : Thyristor cổng tắt) ƒ Cấu tạo: Các SCR và GTO có cùng sơ đồ tương đương (gồm hai transistor nối theo kiểu hồi tiếp dương), điều khác biệt duy nhất là cấu trúc được thiết kế để cho phép một transistor NPN có hệ số β lớn hơn hệ số β của transistor PNP. Điều này cho phép một I cực cổng nhỏ hơn (thuận hoặc ngược) để tạo ra một mức độ điều khiển lớn hơn áp dụng cho việc dẫn từ catốt sang anốt, với trạng thái chốt của transistor PNP trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào trạng thái chốt của NPN và ngược lại. ƒ GTO còn được gọi là “chuyển mạch được điều khiển bằng cổng”- Gate-Controlled Switch ( GCS) Catốt Anốt Cực cửa Hình 7.9 – GTO BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 14 TRIAC ¾ SCR là cấu kiện đơn hướng (một chiều), do đó nó chỉ hữu ích cho việc điều khiển một chiều (DC). Nếu hai SCR được nối với nhau theo kiểu song song như hình vẽ 8.34 thì ta có một cấu kiện mới gọi là TRIAC Hình 7.10 - Mạch tương đương của Triac (a) và ký hiệu của Triac (b) BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 15 Đặc tuyến Vôn – Ampe của một Triac Dòng giữ nhỏ nhất (IH) Điện áp chặn trạng thái tắt (VDRM) nhỏ nhất được định rõ Điện áp khiến TRIAC dẫn Dòng chốt (IL) Dòng rò trạng thái tắt (IDRM) tại điện áp đã định rõ VDRM Điện áp rơi (vT) tại dòng đã được định rõ (iT) Hình 7.11 - Đặc tuyến Vôn – Ampe của một Triac BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 16 TRANSISTOR ĐƠN NỐI (UJT) Hình 7.12 - Transistor đơn nối: (a) Cấu tạo, (b) Mô hình, (c) Ký hiệu Cấu tạo: gồm một thanh bán dẫn Silic loại N có một đầu nối loại P ở chính giữa. Các đầu nối tại hai đầu cuối của thanh bán dẫn được gọi là các cực cửa B1 và B2; điểm nối ở giữa loại P là cực phát (emitter). Khi cực phát hở, điện trở toàn phần là RBB0 (một thông số trong bản thông số (data sheet) của linh kiện) bằng tổng của hai điện trở RB1 và RB2. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 17 ¾Đường cong đặc tuyến giữa dòng cực phát đơn nối và điện áp được mô tả như sau: khi VE tăng, dòng IE tăng đến IP (điểm đỉnh – peak point). Sau khi tăng đến điểm đỉnh (IP), trong vùng điện trở âm (negative reisistance region) dòng IE tăng tiếp mặc dù điện áp giảm. Điện áp đạt giá trị nhỏ nhất tại điểm đáy (valley point). Điện trở của RB1, điện trở bão hoà là nhỏ nhất tại điểm đáy Điểm đỉnh Trở kháng âm Điểm đáy Bão hòa Hình 7.13 - Transistor đơn nối: (a) đường cong đặc tuyến phát, (b) Mô hình cho VP BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 18 Ứng dụng của UJT: ¾Dùng để chế tạo bộ tạo dao động hồi phục (relaxation). Điện áp nguồn cung cấp VBB sẽ nạp điện cho CE qua RE cho đến điểm đỉnh (peak point). Cực phát đơn nối không có tác động gì đến tụ điện cho đến khi điểm đỉnh được đạt tới. ¾Mỗi khi điện áp của tụ (VE) đạt tới điểm điện áp đỉnh VP, điện trở cực phát -cực cửa1 (E-B1) bị nhỏ đi sẽ khiến tụ phóng một cách nhanh chóng. Mỗi khi tụ phóng điện đến dưới điểm đáy VV, điện trở E-B1 quay trở lại thành điện trở cao, và tụ điện lại được nạp ¾Trong khi tụ phóng điện qua điện trở bão hoà E-B1, một xung có thể xuất hiện trên các điện trở tải ngoài B1 và B2 (Hình vẽ 7.14). Điện trở tải tại B1 cần phải nhỏ để không ảnh hưởng đến thời gian phóng điện. Điện trở ngoài tại B2 là tuỳ chọn. Nó có thể được thay thế bởi một ngắn mạch. Tần số xấp xỉ được cho bởi 1/f = T = RC BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1 Trang 19 ¾Điện trở nạp RE phải giảm đi trong các giới hạn nhất định. Nó buộc phải đủ nhỏ để cho phép dòng IP chảy dựa trên việc nguồn cung cấp VBB nhỏ hơn VP. Nó cũng buộc phải đủ lớn để cung cấp dòng IV dựa trên việc nguồn cung cấp VBB nhỏ hơn VV. Hình 7.14 - Bộ tạo dao động hồi phục (relaxation oscillator) dùng UJT và các dạng sóng. Bộ tạo dao động điều khiển SCR