Thyristor là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thyristor

Thyristor là gì

Trước khi vào nội dung chính thì tất cả chúng ta sẽ cùng nhau khám phá sơ lược về chúng trước nhé. Thyristor hay còn gọi với cái tên vừa đủ là Silicon Controlled Rectifier ( Chỉnh lưu silic có tinh chỉnh và điều khiển ) là thành phần bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh phụ kiện được sử dụng thoáng đãng trong những thiết bị điện tử .
Thyristor thực chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch và hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển được ( tương tự hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP ). Chúng hoạt động giải trí khi được cấp điện và tự động hóa ngắt, quay trở lại trạng thái ngưng dẫn khi không có điện. Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có tinh chỉnh và điều khiển .

Lịch sử tăng trưởng của Thyristor

Vào những năm 1950, Thyristor được đề xuất kiến nghị bởi William Shockley. Chúng được bảo vệ bởi Moll cùng một số ít người khác ở trong phòng thí nghiệm Bell ( Hoa Kỳ ). Thyristor được tăng trưởng lần đầu bởi những kỹ sư nguồn năng lượng của General Electric ( G.E ) mà người đứng đầu là Gordon Hall và thương mại kinh doanh 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 và tinh chỉnh ( G ), Thyristor đóng vai trò như một khóa điện tử có tinh chỉnh và điều khiển bằng điện. Đặc tính của Thyristor chỉ được 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 tinh chỉnh và điều khiển ( cực cổng )

Cấu tạo của Thyristor được diễn đạt theo 3 góc nhìn : Lớp bán dẫn – ký hiệu trên bo mạch – mạch tinh chỉnh và 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 mặc dầu có dòng điện kích IG. Như vậy ta hoàn toàn 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 hoàn toàn có thể coi như tương tự với hai transistor PNP và NPN link 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 liên tục nên cả hai transistor nhanh gọn 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 giải trí như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần sống sót trong thời hạn ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn liên tục dẫn điện, nghĩa là ta không hề ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một điểm yếu kém của SCR so với transistor .
Người ta chỉ hoàn toàn 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 thường thì sẽ được cho phép dòng điện đi qua từ A sang tới K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K. Còn so với một Thyristor thì vẫn phải bảo vệ điều kiện kèm theo đó. Ngoài ra chúng còn cần thêm một điều kiện kèm theo nữa là phải kích thích một dòng tinh chỉnh và điều khiển đi vào chân G .

Có hai loại Thyristor, chúng được ký hiệu như hình vẽ dưới đây. Trong thực tiễn, tất cả chúng ta chỉ gặp phần nhiều Thyristor loại P. ( chiếm khoảng chừng 80 % ) .

Phân loại

Dựa trên năng lực bật và tắt, Thyristor được phân thành những loại sau :

• Thyristor tinh chỉnh và 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 tinh chỉnh và điều khiển pha hai chiều hoặc BCT
• Thyristor quy đổi nhanh hoặc SCR
• Bộ kiểm soát và điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR
• Thyristor trấn áp FET hoặc FET-CTHs
• Thyristor tích hợp cổng hoặc IGCT

Một vài hình ảnh những loại Thyristor lúc bấy giờ :

Dạng Module

Dạng bắt ốc (Stud)

Dạng Đĩa (Capsule)

Đặc tuyến Volt – Ampere của Thyristor

Ảnh màn biểu diễn lớp của Thyristor .

Thyristor là thành phần 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 và tinh chỉnh 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 và tinh chỉnh bằng không ( IG = 0 ) .

Khi dòng vào cực điều khiển và tinh chỉnh của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực tinh chỉnh và 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 tiếp nối đuôi nhau 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 kỳ lạ Thyristor bị đánh thủng, dòng điện hoàn toàn có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt quy trình bị đánh thủng là quy trình không hề 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 tự 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 kỳ lạ điện trở tương tự mạch anôt-catôt bất ngờ đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị số lượng 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 đặc thù dòng hoàn toàn có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt thì nhỏ và phần đông không phụ thuộc vào vào giá trị của dòng điện .

Trường hợp có dòng điện vào cực tinh chỉnh và điều khiển ( IG > 0 ) .

Nếu có dòng điều khiển và tinh chỉnh đưa vào giữa cực điều khiển và tinh chỉnh và catôt quy trình chuyển điểm thao tác 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 miêu tả trên hình bằng những đường nét đứt, ứng với những giá trị dòng tinh chỉnh và điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3, … Nói chung nếu dòng điều khiển và tinh chỉnh lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính thao tác 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 tinh chỉnh và điều khiển bằng 0 .
Thyristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ được 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 hoàn toàn có thể dẫn dòng ngoài điều kiện kèm theo phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm 1 số ít điều kiện kèm theo khác. Do đó, Thyristor được coi là thành phần bán dẫn có điều khiển và tinh chỉnh để phân biệt với điôt là thành phần không tinh chỉnh và điều khiển được .

Quá trình mở, khóa của Thyristor như thế nào ?

Quá trình mở Thyristor

Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor hoàn toàn có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, hoàn toàn 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 tự trong mạch anôt-catôt sẽ giảm bất thần và dòng qua Thyristor sẽ trọn vẹn do mạch ngoài xác lập .
Phương pháp này trong trong thực tiễn không được vận dụng do nguyên do mở không mong ước và không phải khi nào cũng hoàn toàn 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 tính năng của những xung điện áp tại một thời gian ngẫu nhiên, không định trước .
Phương pháp thứ hai, giải pháp được vận dụng trong thực tiễn, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và tinh chỉnh và catôt. Xung dòng điện tinh chỉnh và 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 liên tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự sống sót của xung dòng điều khiển và tinh chỉnh nữa. Điều này nghĩa là hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển mở những Thyristor bằng những xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó hiệu suất của mạch điều khiển và tinh chỉnh hoàn toàn có thể là rất nhỏ, so với hiệu suất của mạch lực mà Thyristor là một thành phần đóng cắt, khống chế dòng điện .

Quá trình khóa Thyristor

Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ quay trở lại trạng thái khóa ( điện trở tương tự 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 hạn nhất định để những lớp tiếp giáp hồi sinh trọn vẹn đặc thù 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 chừng thời hạn tối thiểu, gọi là thời hạn phục sinh ( trr ), chỉ sau đó Thyristor mới hoàn toàn có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều . Trong thời hạn phục sinh có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt. Dòng điện ngược này di tán những điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương tự của hai tiếp giáp J1, J3 được hồi sinh. Thời gian hồi sinh phụ thuộc vào vào lượng điện tích cần được di tán ra ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời gian đó . Dạng điện áp và dòng điện của Thyristor trong quy trình đóng cắt .

Các nhu yếu so với tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh Thyristor

Yêu cầu về tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh Thyristor :
+ Đủ hiệu suất bộc lộ biên độ điện áp ( UGK ), dòng điện ( IGK ) .
+ Độ rộng xung là một nhu yếu quan trọng để bảo vệ 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 và tinh chỉnh chỉ cần cỡ 500 µs là bảo vệ mở van với những dạng tải .
+ Có sườn xung dốc đứng để mở van đúng mực vào thời gian qui định, thường vận tốc tăng điện áp điều khiển và tinh chỉnh phải đạt 10V / µs, vận tốc tăng dòng tinh chỉnh và điều khiển 0,1 A / µs .

Các thông số kỹ thuật kỹ thuật chính

Giá trị dòng trung bình được cho phép chạy qua Thyristor ( Iv, tb )

Giá trị dòng trung bình được cho phép chạy qua Thyristor là giá trị trung bình được phép chạy qua Thyristor trong điều kiện kèm theo nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn không vượt quá một giá trị nhiệt độ được cho phép. Trên thực tiễn, giá trị dòng điện được cho phép chạy qua Thyristor không cố định và thắt chặt mà nó nhờ vào vào điều kiện kèm theo làm mát và môi trường tự nhiên. Nhìn chung, ta hoàn toàn 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 được 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 thế, tất cả chúng ta phải luôn bảo vệ rằng điện áp giữa Anode và Cathode luôn nhỏ hơn hoặc bằng mức điện áp ngược được cho phép lớn nhất. Ngoài ra, tất cả chúng ta cũng cần bảo vệ độ dự trữ nhất định về điện áp ( Ung, max phải tối thiểu là bằng 1,2 – 1,5 lần biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ ) .

Thời gian phục sinh đặc thù khóa của Thyristor τ ( μs )

Thời gian phục sinh đặc thù khóa của Thyristor là thời hạn 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 hoàn toàn có thể có điện áp Uak dương mà Thyristor vẫn khóa. Thông thường, ta phải bảo vệ thời hạn dành cho quy trình khóa phải bằng 1,5 – 2 lần τ .

Tốc độ tăng điện áp được cho phép dU / dt ( V / μs )

Bởi vì Thyristor là một linh phụ kiện bán dẫn có điều khiển và tinh chỉnh nên mặc dầu khi Thyristor được phân cực thuận mà không có tín hiệu tinh chỉnh và điều khiển thì nó cũng không được cho phép dòng chạy qua. Tốc độ tăng điện áp là một thông số kỹ thuật để phân biệt giữa Thyristor tần số thấp với Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU / dt vào thời gian 50 đến 200 V / μs còn với những Thyristor tần số cao dU / dt hoàn toàn có thể lên tới 500 – 2000 V / μs .

Cách đo và kiểm tra Thyristor

Khi có Thyristor ta phải xác lập đúng mực 3 chân của nó : A-K và G
Ta dùng đồng hồ đeo tay VOM chỉnh sang thang đo Ohm ( Ω ) x1, đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot khởi đầu kim không lên, dùng Tovit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ đeo tay lên kim, sau đó bỏ Tovit ra => đồng hồ đeo tay vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt. Ngược lại thì Thyristor bị hỏng .

Để hoàn toàn có thể bảo vệ riêng Thyristor còn hoạt động giải trí hay đã chết thì yên cầu tất cả chúng ta phải kiểm tra. Việc này hoàn toàn có thể không thiết yếu so với những loại Thyristor mới mua. Nhưng với những loại đã mua dữ trữ lâu dài hơn thì việc kiểm tra là điều nên làm. Tránh những trường hợp khi tất cả chúng ta đã hàn vào mạch rồi nhưng khí đó mới biết răng Thyristor đã hỏng thì rất khó giải quyết và xử lý thay mới. Lúc này sẽ làm kém nghệ thuật và thẩm mỹ board mạch cũng như phần nào đó làm tác động ảnh hưởng đến những linh phụ kiện và đường điện chạy trong board .

Các ưu điểm, điểm yếu kém khi sử dụng Thyristor

Ưu điểm

• Có năng lực giải quyết và xử lý điện áp, dòng điện và hiệu suất lớn .
• Cầu chì hoàn toàn có thể bảo vệ được Thyristor .
• Dễ dàng khi bật .
• Cấu tạo của mạch kích hoạt bộ chỉnh lưu sử dụng Thyristor rất đơn thuần .
• Kiểm soát rất thuận tiện .
• Không mất nhiều ngân sách .
• Có năng lực tinh chỉnh và điều khiển nguồn xoay chiều .

Nhược điểm

• Thyristor chỉ tinh chỉnh và điều khiển nguồn một chiều vì nó chỉ hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển hiệu suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ luân hồi dương của nguồn xoay chiều .
• Mỗi chu kỳ luân hồi, Thyristor đều phải được bật lên trong mạch xoay chiều .
• Không thể sử dụng ở tần số cao .
• Dòng điện ở cổng ( gate ) không hề âm .

Ứng dụng của Thyristor

Thyristor kiểm soát và điều chỉnh dòng xoay chiều AC :

• Khi SCR hoạt động giải trí ở điện thế xoay chiều tần số thấp ( thí dụ 50H z hoặc 60H z ) thì yếu tố tắt SCR được xử lý thuận tiện. Khi không có xung kích thì mạng điện xuống gần 0V, SCR sẽ ngưng. Dĩ nhiên ở bán kỳ âm SCR không hoạt động giải trí mặc dầu có xung kích .

Để tăng hiệu suất cho tải, người ta cho SCR hoạt động giải trí ở nguồn chỉnh lưu toàn kỳ .

Vì điện 50H z có chu kỳ luân hồi T = 1/50 = 20 nS nên thời hạn điện thế giao động 0V đủ làm ngưng SCR .
Điều chỉnh ánh sáng, tinh chỉnh và điều khiển hiệu suất điện và điều khiển và tinh chỉnh vận tốc của động cơ điện .
Với đặc thù của mình, Thyristor thường dược dùng trong những bộ Dimmer như sau :

Ứng dụng Thyristor trong những mạch bảo vệ quá dòng, quá áp
Do Thyristor có đặc thù chỉ cần tín hiệu kích rất nhỏ vào chân G cũng hoàn toàn có thể tinh chỉnh và điều khiển được. Vậy nên chúng rất hay được sử dụng trong những 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 phụ kiện được sử dụng rất nhiều trong việc tinh chỉnh và điều khiển những thiết bị xoay chiều như đèn, động cơ, …. Chúng ta phát hiện chúng rất nhiều trong những loại sản phẩm gia dụng vì đặc tính dẫn của nó .
Nếu cảm thấy bài viết có ích hay nhìn nhận và san sẻ cho bè bạn. Đừng quên tham gia nhóm Nghiện lập trình để cùng trao đổi và liên kết nhé !

5/5 – ( 3 bầu chọn )

Source: https://thevesta.vn
Category: Bản Tin