Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 4: Thyristor

Chương 4: THYRISTOR 3.1 Giới thiệu họ Thyristor. 3.2 SCR. 3.2.1 Giới thiệu SCR. 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe SCR. 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR. 3.2.4 Ứng dụng SCR điều khiển pha. 3.2.5 Các thông số SCR. 3.3 TRIAC và DIAC 3.3.1 Giới thiệu. 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe TRIAC. 3.3.3 Mạch kích TRIAC. 3.3.4 Ứng dụng TRIAC điều khiển pha. 3.2.5 Các thông số TRIAC. .1 3.1 Giới thiệu họ Thyristor. • Thyristor là họ các linh kiện đóng ngắt bán dẫn có đặc tính chung là cho dòng điện đi qua khi được kích dẫn và cản dòng điện khi chưa được kích dẫn. • Một khi đã được kích dẫn, Thyristor sẽ dẫn điện và duy trì ở trạng thái này cho dù mất dòng kích. Ở trạng thái dẫn điện, Thyristor có tổng trở rất thấp (có thể xem như công tắc đóng). • Thyristor chỉ chuyển sang trạng thái ngưng dẫn khi dòng điện đi qua nhỏ hơn mức giữ (Holding Current). 2 3.2 SCR. 3.2.1 Giới thiệu SCR. • SCR (Silicon Controlled Rectifier): là linh kiện bán dẫn 3 cực tính, bao gồm 4 lớp bán dẫn ghép nối lại với nhau như hình. Các cực của Thyristor bao gồm: Anode, Cathode và chân kích G. Về mặt cấu tạo, có thể xem Thyristor như là 2 transistor PNP và NPN kết nối với nhau như hình bên. Cấu trúc Sơ đồ tương đương Ký hiệu 3 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe SCR.  TH1: PHÂN CỰC NGƯỢC UAK<0. • TR1 và TR2 bị phân cực ngược, nên dòng qua SCR chính là dòng rò ngược. • Nếu ta tăng giá trị điện áp phân cực ngược đến một giá trị nhất định (Reverse Breakdown Voltage) thì 2 tiếp giáp B-E của TR1 và TR2 sẽ bị đánh thủng, dòng ngược qua SCR tăng lên đột ngột gây hỏng SCR. 4 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe SCR.(tt)  TH2: PHÂN CỰC THUẬN UAK>0. các tiếp giáp B-E phân cực thuận, B-C phân cực nghịch. • KHI IG=0: – Nếu UAK nhỏ, dòng qua SCR là dòng rò ngược qua mối nối B-C → Đây cũng chính là dòng rò thuận qua SCR. – Khi tăng UAK đủ lớn (Breakover Voltage), sẽ làm cho TR1 và TR2 dẫn. Do dòng IB (TR1) là IC (TR2), và ngược lại nên 2 dòng IB và IC của 2TR sẽ bổ sung cho nhau và dòng điện IB được khuếch đại lên nhiều lần → cả 2TR chuyển hẳn sang trạng thái bão hòa. 5 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe SCR.(tt) Khi 2TR hoạt động ở trạng thái bão hòa, thì SCR ở trạng thái dẫn, nội trở giảm đi, sụt áp giữa 2 cực A và K giảm xuống. Phương pháp chuyển SCR từ trạng thái khóa →mở bằng cách tăng dần UAK gọi là kích mở bằng điện áp thuận. • KHI IG ≠ 0: Dòng IG cùng với dòng điện vốn có trong SCR làm cho SCR có thể mở ngay với điện áp UAK nhỏ hơn nhiều so với giá trị kích mở lúc IG=0. Dòng IG càng lớn thì UAK cần thiết để mở SCR càng nhỏ. 6 3.2.2 Đặc tuyến Vol-Ampe SCR.(tt)  Khi thôi không kích dòng vào chân G thì SCR vẫn duy trì trạng thái dẫn vì dòng điện nội trong SCR vẫn được duy trì. 7 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR.  CÁC CÁCH MỞ SCR. – Tăng điện áp VAK đến giá trị VBR(Breakover Voltage). – Phân cực thuận VAK, kích một xung dương vào cổng G. 8 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR.(tt)  CÁC CÁCH TẮT SCR. – Giảm dòng Anode IF<IH (Holding Current). – Ngắt dòng Anode IF=0. – Phân cực ngược SCR. 9 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR.(tt)  Ví dụ 1: (hình A) • Bình thường, S2 đóng, S1 mở, không có tín hiệu kích ở chân G (và điện áp VDC không đủ lớn) nên SCR không dẫn →Đèn tắt. • Khi nhấn S1 , có tín hiệu kích ở chân G, VA dương hơn VK nên SCR dẫn →Đèn sáng. Khi nhả S1, đèn vẫn sáng. • Khi nhấn S2 → Ngắt dòng qua SCR→ Đèn tắt. 10 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR.(tt)  Ví dụ 2: (hình B) • Bình thường, S1 ,S2 mở, không có tín hiệu kích ở chân G (và điện áp VDC không đủ lớn) nên SCR không dẫn →Đèn tắt. • Khi nhấn S1, có tín hiệu kích ở chân G, VA dương hơn VK nên SCR dẫn →Đèn sáng. Khi nhả S1, SCR vẫn dẫn →Đèn vẫn sáng. • Khi nhấn S2 → SCR không dẫn → Đèn SÁNG. Khi nhả S2 → SCR tắt cho đến khi nhấn S1. 11 3.2.3 Phương pháp tắt - mở SCR.(tt)  Ví dụ 3: (hình C) • Khi khóa S1 mở thì không có dòng qua chân kích G nên SCR không dẫn→đèn tắt. • Khi đóng khóa S1:  Trong bán kỳ dương, SCR phân cực thuận, có dòng kích IG tại cổng G nên SCR dẫn→đèn sáng.  Trong bán kỳ âm, SCR phân cực ngược, diode có tác dụng ngăn dòng điện ngược áp vào cổng G nên SCR không dẫn→đèn tắt. 12 3.2.4 Ứng dụng SCR điều khiển pha. • TH1: Nếu kích SCR với góc kích θ1=0º, bóng đèn ON trong suốt bán kỳ dương với điện áp trung bình bằng 0,318Vp. • TH2: Nếu góc kích 0º < θ ≤ 180º, bóng đèn ON trong khoảng thời gian ngắn hơn (tθ → T/2) và điện áp trung bình qua tải sẽ nhỏ hơn TH1→ Đèn sáng yếu hơn TH1. • Mạch điều khiển độ sáng của đèn gọi là mạch Lamp Dimmer. 13 3.2.4 Ứng dụng SCR điều khiển pha.(tt)  Xét mạch Triac Phase Control như hình. • Đóng khóa S1, thời điểm đầu của bán kỳ dương, SCR chưa dẫn, tụ C được nạp thông qua biến trở R1, điện áp trên tụ tăng dần. Khi tụ nạp đến giá trị điện áp đủ lớn làm diode dẫn; khi đó, dòng trên chân kích G đủ lớn và SCR phân cực thuận nên dẫn làm sáng đèn. Thời gian dẫn của SCR có thể được điều chỉnh thông qua biến trở R1. R1 dùng chỉnh độ sáng của đèn. • Trong bán kỳ âm, SCR bị phân cực ngược nên không dẫn. 14 3.2.5 Các thông số SCR. • Điện áp đánh thủng phân cực thuận và nghịch cực đại. • Dòng điện thuận cực đại. • Điện áp và dòng điện cổng. • Dòng giữ (IH). • Công suất tiêu tán. 15 3.3 TRIAC và DIAC 3.3.1 Giới thiệu.  TRIAC (Triode AC Switch) tương đương với 2 SCR mắc song song và ngược chiều, có chung chân kích G.  Hoạt động: • Khi điện thế cực G dương hơn so với MT1, điện thế MT2 dương hơn so với MT1 thì SCR1 mở . →MT2 (anode), MT1 (cathode). • Khi điện thế cực G dương hơn so với MT2, điện thế MT1 dương hơn so với MT2 thì SCR2 mở. →MT1 (anode), MT2 (cathode). →TRIAC là linh kiện có khả năng dẫn dòng 2 chiều có chân điều khiển. Dùng dẫn dòng xoay chiều 16  DIAC (Diode AC switch). • Về cấu tạo, DIAC giống với TRIAC nhưng không có cực khống chế G (không có chân kích). • Do không có chân kích nên DIAC chỉ được kích mở bằng cách nâng cao điện áp vào hai cực. • Hai cực của DIAC hoàn toàn đối xứng nên ta không cần phân biệt hai cực này. • Ký hiệu DIAC: • Các thông số quan trọng của DIAC: - Điện áp giới hạn mà DIAC chịu đựng. - Dòng tải tối đa. 17 3.3.2 Đặc tuyến Vol-Ampe TRIAC. 18 3.3.3 Mạch kích TRIAC. a). Kích bằng tín hiệu DC. • Đóng S1, trong bán kỳ dương, MT2 dương hơn MT1 điện áp chân G dương hơn MT1 , Triac dẫn theo chiều từ MT2 qua MT1 → đèn sáng. • Trong bán kỳ âm, MT1 dương hơn MT2, điện áp chân G dương hơn MT2, Triac dẫn theo chiều từ MT1 qua MT2 → đèn sáng. →Triac dẫn trong cả 2 bán kỳ. 19 3.3.3 Mạch kích TRIAC.(tt) b). Kích bằng tín hiệu AC. • Đóng S1, trong bán kỳ dương, điện áp tại MT2 dương hơn MT1, điện áp chân G dương hơn MT1 → Triac dẫn, dòng từ MT2 qua MT1→ Đèn sáng. • Trong bán kỳ âm, điện áp tại MT1 dương hơn MT2, điện áp chân G dương hơn MT2 → Triac dẫn , dòng từ MT1 qua MT2 → Đèn sáng. →Fully ON 20 3.3.3 Mạch kích TRIAC. (tt) c). Kích dẫn trong nửa chu kỳ. • SW1 tại vị trí A: không có tín hiệu kích tại G → Triac không dẫn (OFF) → Đèn tắt. • SW1 tại vị trí B: giống trường hợp b) → Triac dẫn ở cả hai bán kỳ (Fully ON)→ Đèn sáng. • SW1 tại vị trí C: Trong bán kỳ dương, điện áp chân G dương hơn MT1 → Triac dẫn (đèn sáng). Trong bán kỳ âm, không có tín hiệu kích tại chân G → Triac không dẫn (đèn tắt). (Half Power) 21 3.3.4 Ứng dụng TRIAC điều khiển pha. • Triac: điều khiển điện áp trên Motor. • VR1: biến trở điều chỉnh khoảng thời gian dẫn của Triac. • Diac: định ngưỡng điện áp để Triac dẫn. • C: tụ điện tạo điện áp ngưỡng để mở thông diac. • Thời điểm đầu của bán kỳ dương, Triac chưa dẫn, tụ C được nạp thông qua biến trở VR1, điện áp trên tụ tăng dần. Khi tụ nạp đến giá trị điện áp ngưỡng làm diac dẫn; khi đó, dòng điện trên chân kích G đủ lớn và MT2 dương hơn MT1 nên Triac dẫn theo chiều MT2→MT1 làm Motor hoạt động. 22 3.3.4 Ứng dụng TRIAC điều khiển pha.(tt) • Tương tự, trong nửa đầu bán kỳ âm, tụ C được nạp, quá trình diễn ra tương tự và chân MT1 dương hơn MT2, có tín hiệu kích ở chân G nên triac dẫn theo chiều MT1→MT2 làm sáng đèn. • Thời gian dẫn của Triac phụ thuộc vào thời hằng nạp của tụ (được điều khiển thông qua biến trở VR1). Thời gian dẫn của Triac càng tăng sẽ làm cho điện áp trung bình trên Motor tăng làm Motor quay với tốc độ nhanh hơn. 23 3.3.5 Các thông số TRIAC. • Điện áp kích dẫn (VBR(F) và VBR(R)). • Dòng điện cực đại. • Dòng giữ IH • Áp cổng và dòng cổng kích khởi. • Tốc độ chuyển mạch. 24