Chương 1: Khóa đóng ngắt và ứng dụng

Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 1 CHÖÔNG I: KHOÙA ÑOÙNG NGAÉT VAØ ÖÙNG DUÏNG. Thieát bò ñoùng ngaét laø phaàn töû ñieàu khieån duøng ñeå ñoùng ngaét maïch ñieän baèng tín hieäu vaøo laø löïc ngoaøi hay tín hieäu ñieän. Ta coù theå phaân loaïi thieát bò ñoùg ngaét nhö sau: - Thieát bò ñoùng ngaét cô hoïc (Khoùa cô). - Thieát bò ñoùng ngaét ñieän töø (Relay). - Thieát bò ñoùng ngaét ñieän töû (Khoaù baùn daãn). I. KHOAÙ CÔ: Khoùa cô laø thieát bò ñoùng ngaét maïch ñieän baèng löïc cô hoïc. Khoaù cô goàm 2 phaàn: - Phaàn taùc ñoäng cô hoïc - Phaàn tieáp ñieåm. 1. Coâng Taéc Panel: a. Coâng taéc Panel: Coâng taéc panel laø loaïi coâng taéc duøng ñeå laép ñaët treân caùc baûng ñieàu khieån cuûa maùy vaø ñöôïc taùc ñoäng tröïc tieáp baèng tay. Hình 1.1 Caáu taïo cuûa coâng taéc panel b. Phaân loaïi: Tuyø vaøo caáu taïo cuûa phaàn tieáp ñieåm, ngöôøi ta chia coâng taéc panel thaønh caùc loaïi: - Coâng taéc ñôn cöïc moät ñöôøng daãn (SPST): Laø coâng taéc maø doøng ñieän chæ chaûy qua noù khi taùc ñoäng (Coâng taéc thöôøng hôû) hoaëc ngaét doøng ñieän khi taùc ñoäng (Coâng taéc thöôøng ñoùng) hình 1.2 trình baøy caáu taïo cuûa coâng taéc ñôn cöïc moät ñöôøng daãn. Hình 1.2 Coâng taéc ñôn cöïc moät ñöôøng daãn. - Coâng taéc ñôn cöïc hai ñöôøng daãn (SPDT): Laø loaïi coâng taéc chuyeån doøng ñieän chaûy qua noù töø tuyeán naøy sang tuyeán khaùc. Hình 1.3 trình baøy caáu taïo cuûa coâng taéc ñôn cöïc 2 ñöôøng daãn. - Khoaù ñôn cöïc 2 ñöôøng daãn vôùi vò trí OFF: Phaàn taùc ñoäng cô hoïc Phaàn tieáp ñieåm Cöïc noái daây NO: Coâng taéc thöôøng hôû NC: Coâng taéc thöôøng ñoùng Hình 1.3 Coâng taéc ñôn cöïc 2 ñöôøng daãn NO C NC Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 2 - Khoaù 2 cöïc moät ñöôøng daãn (DPST): Goàn 2 khoaù SPST cuøng chòu moät taùc ñoäng. Hình 1.5 moâ taû coâng taéc DPST. - Khoaù 2 cöïc 2 ñöôøng daãn (DPDT): Coù caáu taïo goàm 2 khoaù SPDT nhöng cuøng chòu moät taùc ñoäng. Hình 1.6 trình baøy caáu taïo cuûa khoaù DPDT. Tuyø vaøo phöông thöùc taùc ñoäng, ngöôøi ta coøn phaân coâng taéc thaønh caùc loaïi: - Nuùt nhaán: Laø loaïi coâng taéc coù phaàn taùc ñoäng cô hoïc taùc ñoäng theo phöông thöùc duøng tay nhaán. Ñoái vôùi coâng taéc daïng naøy, doøng ñieän chæ chaûy Hình 1.7 Moät soá daïng nuùt nhaán - Coâng taéc xoay: Laø loaïi coâng taéc ñöôïc taùc ñoäng theo phöông thöùc duøng tay xoay. Hình 1.8 Moät soá daïng coâng taéc xoay. c. ÖÙng duïng cuûa coâng taéc panel: Coâng taéc Panel duøng ñeå laép ñaët treân caùc panel ñieàu khieån cuûa maùy ñeå taïo tín hieäu ñieàu khieån nhö: Start, Stop, ñoåi chieàu quay ñoäng cô, döøng khaån caáp, chuyeån cheá ñoä laøm vieäc cho maùy … Hình 1.4 Coâng taéc ñôn cöïc 2 ñöôøng daãn vôùi vò trí OFF NO C NC OFF Hình 1.6 Coâng taéc 2 cöïc 2 ñöôøng daãn NO C NC NO C NC Hình 1.5 Coâng taéc 2 cöïc 1 ñöôøng daãn C NOC NO Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 3 2. Coâng Taéc Haønh Trình: a. Caáu taïo cuûa coâng taéc haønh trình: Coâng taéc haønh trình coù caáu taïo nhö hình 1.9 Hình 1.9 Caáu taïo cuûa coâng taéc haønh trình. Hình 1.10 Moät soá daïng coâng taéc haønh trình. b. ÖÙng duïng cuûa coâng taéc haønh trình: Coâng taéc haønh trình ñöôïc duøng ñeå phaùt hieän söï xuaát hieän cuûa moät vaät theo phöông thöùc tieáp xuùc taïi vò trí ñaët caûm bieán hoaëc phaùt hieän ñieåm ñaàu vaø ñieåm cuoái haønh trình cuûa moät vaät. Ví duï: Phaùt hieän cabin thang maùy taïi caùc taàng, phaùt hieän haønh trình ñaàu cuoái cuûa xylanh… II. KHOÙA ÑIEÄN TÖØ (RELAY): Relay laø khí cuï ñieän phaùt hieän möùc naêng löôïng cuûa maïch ñieän ñaàu vaøo vaø ñieàu khieån söï chuyeån maïch cuûa maïch ñieän ngoõ ra. 1. Caáu Taïo Vaø Hoaït Ñoäng Cuûa Relay: Relay coù caáu taïo goàm moät cuoän daây duøng ñeå taïo löïc ñieän töø vaø heä thoáng tieáp ñieåm. Hình 2.1 Caáu taïo cuûa Relay b. Caáu taïo daïng Pittong NC NO NC NO Coil Coil Loõi Ferite Cuoän daây Tieáp ñieåm Voû NC NO COM Tieáp ñieåm Cuoän Voû Loø xo a. Caáu taïo cuûa relay baïng baûn leà C NC NO Cô caáu taùc ñoäng kieåu Voû Loø xo Truïc truyeàn löïc Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 4 Khi cuoän daây cuûa Relay ñöôïc caáp ñieän seõ sinh löïc ñieän töø taùc ñoäng leân heä thoáng tieáp ñieåm ñoäng laø thay ñoåi traïng thaùi cuûa caùc tieáp ñieåm. Hình 2.2 Moät soá daïng relay 2. Kyù Hieäu Cuûa Relay: - Kyù hieäu treân maïch ñieän: Hình 2.3 Kyù hieäu cuûa relay treân maïch ñieän. - Kyù hieäu trong giaûn ñoà ladder: Hình 2.4 Kyù hieäu relay trong giaûn ñoà ladder 3. ÖÙng Duïng Cuûa Relay: Relay duøng laøm thieát bò ñoùng ngaét trong caùc maïch ñieän vaø trong caùc heä thoáng ñieàu khieån On – Off. III. KHOAÙ ÑIEÄN TÖÛ: 1. Diode Coâng Suaát: a. Caáu taïo: Hình 3. 1 Caáu taïo vaø kyù hieäu cuûa diode Relay daïng pittong 4 6 8 13 11 9 1 16 K1 Relay daïng baûn leà 3 4 5 6 8 7 1 2 Cuoän daây Tieáp ñieåm thöôøng hôû NO Tieáp ñieåm thöôøng ñoùng NC b). Kyù hieäu cuûa diode. Anoát Katoát a). Caáu tao cuûa diode. - + -α 0 α q NP d NP Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 5 Diode coâng suaát laø linh kieän baùn daãn coù hai cöïc, ñöôïc caáu taïo bôûi moät lôùp baùn daãn N vaø moät lôùp baùn daãn P gheùp laïi. Silic laø moät nguyeân toá hoùa hoïc thuoäc nhoùm IV trong baûng heä thoáng tuaàn hoaøn. Silic coù 4 ñieän töû thuoäc lôùp ngoaøi cuøng trong caáu truùc nguyeân töû. Neáu ta keát hôïp theâm vaøo moät nguyeân toá thuoäc nhoùm V maø lôùp ngoaøi cuøng coù 5 ñieän töû thì 4 ñieän töû cuûa nguyeân toá naøy tham gia lieân keát vôùi 4 ñieän töû töï do cuûa Silic vaø xuaát hieän moät ñieän töû töï do. Trong caáu truùc tinh theå, caùc ñieän töû töï do laøm taêng tính daãn ñieän. Do ñieän töû coù ñieän tích aâm neân chaát naøy ñöôïc goïi laø chaát baùn daãn loaïi N (negative), coù nghóa laø aâm. Neáu theâm vaøo Silic moät nguyeân toá thuoäc nhoùm III maø coù 3 nguyeân töû thuoäc nhoùm ngoaøi cuøng thì xuaát hieän moät loå troáng trong caáu truùc tinh theå. Loã troáng naøy coù theå nhaän 1 ñieän töû, taïo neân ñieän tích döông vaø laøm taêng tính daãn ñieän. Chaát naøy ñöôïc goïi laø chaát baùn daãn loaïi P (positive), coù nghóa laø döông. Trong chaát baùn daãn loaïi N ñieän töû laø haït mang ñieän ña soá, loã troáng laø thieåu soá. Vôùi chaát baùn daãn loaïi P thì ngöôïc laïi. ÔÛ giöõa hai lôùp baùn daãn laø maët gheùp PN. Taïi ñaây xaûy ra hieän töôïng khueách taùn. Caùc loã troáng cuûa baùn daãn loaïi P traøn sang N laø nôi coù ít loã troáng. Caùc ñieän töû cuûa baùn daãn loaïi N chaïy sang P laø nôi coù ít ñieän töû. Keát quaû taïi maët tieáp giaùp phía P ngheøo ñi veà dieän tích döông vaø giaøu leân veà ñieän tích aâm. Coøn phía baùn daãn loaïi N thì ngöôïc laïi neân goïi laø vuøng ñieän tích khoâng gian döông. Trong vuøng chuyeån tieáp (-α,α) hình thaønh moät ñieän tröôøng noäi taïi. Kyù hieäu laø Ei vaø coù chieàu töø N sang P hay coøn goïi laø barie ñieän theá (khoaûng töø 0,6V ñeán 0,7V ñoái vôùi vaät lieäu laø Silic). Ñieän tröôøng naøy ngaên caûn söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích ña soá vaø laøm deã daøng cho söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá (ñieän töû cuûa vuøng P vaø loå troáng cuûa vuøng N). Söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá hình thaønh neân doøng ñieän ngöôïc hay doøng ñieän roø. b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: a) Phaân cöïc thuaän diode. b) Phaân cöïc ngöôïc diode. Hình 3.2 Phaân cöïc cho diode Khi ñaët diode coâng suaát döôùi ñieän aùp nguoàn U coù cöïc tính nhö hình veõ, chieàu cuûa ñieän tröôøng ngoaøi ngöôïc chieàu vôùi ñieän tröôøng noäi Ei. Thoâng thöôøng U > Ei thì coù doøng ñieän chaïy trong maïch, taïo neân ñieän aùp rôi treân diode khoaûng 0,7V khi doøng ñieän laø ñònh möùc. Vaäy söï phaân cöïc thuaän haï thaáp barie ñieän theá. Ta noùi maët gheùp PN ñöôïc phaân cöïc thuaän. Khi ñoåi chieàu cöïc tính ñieän aùp ñaët vaøo diode, ñieän tröôøng ngoaøi seõ taùc ñoäng cuøng chieàu vôùi ñieän tröôøng noäi taïi Ei. Ñieän tröôøng toång hôïp caûn trôû söï di chuyeån cuûa caùc ñieän ( a ) + - U Ei P N ( b ) - + U Ei P N Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 6 tích ña soá. Caùc ñieän töû cuûa vuøng N di chuyeån thaúng veà cöïc döông nguoàn U laøm cho ñieän theá vuøng N voán ñaõ cao laïi caøng cao hôn so vôùi vuøng P. Vì theá vuøng chuyeån tieáp laïi caøng roäng ra, khoâng coù doøng ñieän chaïy qua maët gheùp PN. Ta noùi maët gheùp PN bò phaân cöïc ngöôïc. Neáu tieáp tuïc taêng U ñeán moät giaù trò ngöôõng Uz, caùc ñieän tích ñöôïc gia toác, gaây neân söï va chaïm daây chuyeàn laøm barie ñieän theá bò ñaùnh thuûng. Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode coâng suaát ñöôïc bieåu dieãn gaàn ñuùng baèng bieåu thöùc sau: )1.3(1    −= kT eU s eII Trong ñoù: IS : Doøng ñieän roø, khoaûng vaøi chuïc mA, e = 1,59.10- 19 Coulomb, k = 1,38.10- 23 laø haèng soá Bolzmann, T = 273 + t0 : Nhieät ñoä tuyeät ñoái (0 K), t0 : Nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng (0 C), U laø ñieän aùp ñaët treân diode (V) Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode goàm coù hai nhaùnh:Nhaùnh thuaän, nhaùnh ngöôïc. Khi diode ñöôïc phaân cöïc thuaän döôùi ñieän aùp U thì barie ñieän theá Ei giaûm xuoáng gaàn baèng 0. Taêng U, luùc ñaàu doøng I taêng töø töø cho ñeán khi U lôùn hôn khoaûng 0,7 [V] thì I taêng moät caùch nhanh choùng, ñöôøng ñaëc tính coù daïng haøm muõ. Töông töï, khi phaân cöïc ngöôïc cho diode, taêng U, doøng ñieän ngöôïc cuõng taêng töø töø. Khi U lôùn hôn khoaûng 0,7 [V], doøng ñieän ngöôïc döøng laïi ôû giaù trò vaøi chuïc mA vaø ñöôïc kyù hieäu laø IS. Doøng IS laø do söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá taïo neân. Neáu tieáp tuïc taêng U thì caùc ñieän tích thieåu soá di chuyeån caøng deã daøng hôn, toác ñoä di chuyeån tæ leä thuaän vôùi ñieän tröôøng toång hôïp, ñoäng naêng cuûa chuùng taêng leân. Khi U  = UZ thì söï va chaïm giöõa caùc ñieän tích thieåu soá di chuyeån vôùi toác ñoä cao seõ beû gaûy ñöôïc caùc lieân keát nguyeân töû Silic trong vuøng chuyeån tieáp vaø xuaát hieän nhöõng ñieän töû töï do môùi. Roài nhöõng ñieän tích töï do môùi naøy chòu söï taêng toác cuûa ñieän tröôøng toång hôïp laïi tieáp tuïc baén phaù caùc nguyeân töû Silic. Keát quaû taïo moät phaûn öùng daây chuyeàn laøm cho doøng ñieän ngöôïc taêng leân aøo aït vaø seõ phaù hoûng diode. Do ñoù, ñeå baûo veä diode ngöôøi ta chæ cho chuùng hoaït ñoäng vôùi giaù trò ñieän aùp: U = (0,7 → 0,8)UZ. Khi diode hoaït ñoäng, doøng ñieän chaïy qua diode laøm cho diode phaùt noùng, chuû yeáu ôû taïi vuøng chuyeån tieáp. Ñoái vôùi diode loaïi Silic, nhieät ñoä maët gheùp cho pheùp laø 2000C. Vöôït quaù nhieät ñoä naøy diode coù theå bò phaù hoûng. Do ñoù, ñeå laøm maùt diode, ta duøng quaït Hình 3.3 Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode. I UUZ Uγ 1 2 Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 7 gioù ñeå laøm maùt, caùnh taûn nhieät hay cho nöôùc hoaëc daàu bieán theá chaûy qua caùnh taûn nhieät vôùi toác ñoä lôùn hay nhoû tuøy theo doøng ñieän. Caùc thoâng soá kyõ thuaät cô baûn ñeå choïn diode laøø: Doøng ñieän ñònh möùc Iñm (A), ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi Uz ( V ), Ñieän aùp rôi treân diode ∆U ( V ) Moät soá daïng cuûa diode: Hình 3.4 Moät soá daïng diode c. Caùc tính chaát ñoäng hoïc: Trong quaù trình quaù ñoä cuûa diode, quaù trình chuyeån diode töø traïng thaùi daãn sang traïng thaùi ngaét coù moät yù nghóa raát quan troïng. Hieän töôïng naøy goïi laø ngaét hay chuyeån maïch diode. Khi doøng ñieän qua diode taét nhanh (khoaûng 10A/µs), quaù trình ngaét seõ khoâng dieãn ra nhö ñaëc tuyeán V-A, quaù trình ngaét cuûa diode nhö hình 3.5 Hình 3.5 Quaù trình chuyeån maïch cuûa diode Sau khi doøng ñieän I giaûm veà 0, doøng qua diode khoâng taét ngay maø vaãn tieáp töïc daãn theo chieàu ngöôïc tôùi giaù trò IrrM , sau thôøi gian ngaét trr, khaû naêng daãn theo chieàu ngöôïc bò maát, doøng ñieän qua diode giaûm ñoät ngoät veà giaù trò doøng ñieän ngöôïc Is. Heä quaû cuûa quaù trình naøy laø coâng suaát toån hao khi chuyeån maïch lôùn. Giaù trò töùc thôøi cuûa coâng suaát toån hao ñöôïc tính baèng tích soá giöõa ñieän aùp vaø doøng ñieän qua diode khi chuyeån maïch. 2. Transistor Coâng Suaát: a. Caáu taïo: Transistor laø linh kieän baùn daãn goàm 3 lôùp: PNP hay NPN. N P N C E B a – Caáu taïo cuûa transistor NPN P N P E C B b – Caáu taïo cuûa transistor PNP Hình 3.6 Caáu taïo vaø kyù hieäu cuûa transistor coâng suaát B C E B E C c – Kyù hieäu cuûa transistor NPN d – Kyù hieäu cuûa transistor PNP IrrM I Is trr Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 8 Veà maët vaät lyù, transistor goàm 3 phaàn: phaàn phaùt, phaàn neàn vaø phaàn thu. Vuøng neàn (B) raát moûng. Hình 3.7 Moät soá daïng cuûa transistor coâng suaát b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Hình 3.8 Sô ñoà phaân cöïc transistor. Ñieän theá UEE phaân cöïc thuaän moái noái B - E (PN) laø nguyeân nhaân laøm cho vuøng phaùt (E) phoùng ñieän töû vaøo vuøng P (cöïc B). Haàu heát caùc ñieän töû (electron) sau khi qua vuøng B roài qua tieáp moái noái thöù hai phía beân phaûi höôùng tôùi vuøng N (cöïc thu), khoaûng 1% electron ñöôïc giöõ laïi ôû vuøng B. Caùc loã troáng vuøng neàn di chuyeån vaøo vuøng phaùt. Moái noái B - E ôû cheá ñoä phaân cöïc thuaän nhö moät diode, coù ñieän khaùng nhoû vaø ñieän aùp rôi treân noù nhoû thì moái noái B - C ñöôïc phaân cöïc ngöôïc bôûi ñieän aùp UCC. Baûn chaát moái noái B - C naøy gioáng nhö moät diode phaân cöïc ngöôïc vaø ñieän khaùng moái noái B - C raát lôùn. Doøng ñieän ño ñöôïc trong vuøng phaùt goïi laø doøng phaùt IE. Doøng ñieän ño ñöôïc trong maïch cöïc C (soá löôïng ñieän tích qua ñöôøng bieân CC trong moät ñôn vò thôøi gian laø doøng cöïc thu IC). Doøng IC goàm hai thaønh phaàn: - Thaønh phaàn thöù nhaát (thaønh phaàn chính) laø tæ leä cuûa haït electron ôû cöïc phaùt tôùi cöïc thu. Tæ leä naøy phuï thuoäc duy nhaát vaøo caáu truùc cuûa transistor vaø laø haèng soá ñöôïc tính tröôùc ñoái vôùi töøng transistor rieâng bieät. Haèng soá ñaõ ñöôïc ñònh nghóa laø α. Vaäy thaønh phaàn chính cuûa doøng IC laø αIE. Thoâng thöôøng α = 0,9 → 0,999. - Thaønh phaàn thöù hai laø doøng qua moái noái B - C ôû cheá ñoä phaân cöïc ngöôïc laïi khi IE = 0. Doøng naøy goïi laø doøng ICBO – noù raát nhoû. - Vaäy doøng qua cöïc thu: IC = αIE + ICBO. c. Ñaëc tuyeán V- A cuûa transistor: Ñaëc truyeán V – A cuûa transistor maéc Emitter chung nhö hình 3.9. Ñaëc tuyeán V-A cuûa transistor ñöôïc chia ra laøm 3 vuøng: Vuøng caám, vuøng khueách ñaïi vaø vuøng baõo hoaø. • Base p - IE + IC IE Colector Emiter C CE E N • Np • • • - + RE UEE UCC RC •• • P Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 9 Hình 3.9 Ñaëc tuyeán V – A maïch Emitter chung Trong caùc öùng duïng cuûa ñieän töû coâng suaát lôùn, ngöôøi ta chæ phaân cöïc cho transistor ôû vuøng baõo hoaø (IB lôùn) vaø vuøng caám (IB = 0) maø khoâng phaân cöïc cho transistor ôû vuøng khueách ñaïi. Caùc thoâng soá cuûa transistor coâng suaát: IC: Doøng colector maø transistor chòu ñöôïc, UCesat laø ñieän aùp UCE khi transistor daãn baõo hoøa, UCEO: Ñieän aùp UCE khi maïch bazô ñeå hôû, IB = 0, UCEX laø ñieän aùp UCE khi bazô bò khoùa bôûi ñieän aùp aâm, IB < 0, ton: Thôøi gian caàn thieát ñeå UCE töø giaù trò ñieän aùp nguoàn U giaûm xuoáng UCESat ≈ 0, tf: Thôøi gian caàn thieát ñeå iC töø giaù trò IC giaûm xuoáng 0, tS: Thôøi gian caàn thieát ñeå UCE töø giaù trò UCESat taêng ñeán giaù trò ñieän aùp nguoàn U, P: Coâng suaát tieâu taùn beân trong transistor. Coâng suaát tieâu taùn beân trong transistor ñöôïc tính theo coâng thöùc: P = UBE.IB + UCE.IC. - Khi transistor ôû traïng thaùi ngaét: IB = 0, IC = 0 neân P = 0. - Khi transistor ôû traïng thaùi daãn: UCE = UCESat. Caùc toån hao chuyeån maïch cuûa transistor coù theå lôùn. Trong luùc chuyeån maïch, ñieän aùp treân caùc cöïc vaø doøng ñieän cuûa transistor cuõng lôùn. Tích cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp cuøng vôùi thôøi gian chuyeån maïch taïo neân toån hao naêng löôïng trong moät laàn chuyeån maïch. Coâng suaát toån hao chính xaùc do chuyeån maïch laø haøm soá cuûa caùc thoâng soá cuûa maïch phuï taûi vaø daïng bieán thieân cuûa doøng ñieän goác. d. Tính chaát ñoäng cuûa transistor: Vieäc khaûo saùt caùc hieän töôïng quaù ñoä khi ñoùng ngaét cuûa transistor coù yù nghóa quan troïng. Quaù trình doøng colector khi kích daïng xung vuoâng cho transistor nhö hình 3.10 Hình 3.10 Ñaùp öùng cuûa transistor khi kích baèng tín hieäu xung vuoâng. VCE = Vcc – R.Ic Ic IB = 0 IB2 > IB1 IB1 >0 IB3 > IB2 Vcc/R Vuøng baõo hoaø Vuøng caám Vuøng khueách ñaïi Ñöôøng taûi tónh VCE Vcc IB IC t t tON tOFF Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 10 Thôøi gian ñoùng tON vaø thôøi gian ngaét tOFF khoaûng vaøi µs. Moät heä quaû baát lôïi cuûa trong hieän töôïng chuyeån maïch cuûa transistor laø taïo neân coâng suaát toån hao khi chuyeån maïch lôùn do ñieän aùp treân transistor khi chuyeån maïch lôùn vaø doøng ñieän chaûy qua transistor lôùn. Coâng suaát toån hao treân transistor khi chuyeån maïch seõ giôùi haïn taàn soá ñoùng ngaét cuûa transistor. 3. Transistor Hieäu ÖÙng Tröôøng (FET): Transistor hieäu öùng tröôøng FET (Field – Effect Transistor) ñöôïc cheá taïo theo coâng ngheä Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thöôøng söû duïng nhö nhöõng chuyeån maïch ñieän töû coù coâng suaát lôùn. Khaùc vôùi transistor löôõng cöïc ñöôïc ñieàu khieån baèng doøng ñieän, FET ñöôïc ñieàu khieån baèng ñieän aùp. FET goàm caùc cöïc chính: cöïc maùng (Drain), nguoàn (Source) vaø cöûa (Gate). Doøng ñieän maùng - nguoàn ñöôïc ñieàu khieån baèng ñieän aùp cöûa – nguoàn. Hình 3.11 Ñaëc tuyeán V – A vaø kyù hieäu cuûa FET FET ôû traïng thaùi ngaét khi ñieän aùp cöïc coång Ug < Uthrd (ñieän aùp ngöôõng). Ñeå FET ôû traïng thaùi daãn, ñeän aùp ñaët vaøo cöïc G phaûi lieân tuïc vaø lôùn hôn ñieän aùp ngöôõng. Doøng ñieän chaûy trong cöïc coång laø khoâng ñaùng keå ngoaïi tröø doøng ñieän ôû traïng thaùi quaù ñoä. Khi cho tín hieäu ñieàu khieån môû vaø ngaét doøng qua FET, ôû cöïc coång seõ xuaát hieäu hieän töôïng naïp vaø phoùng ñieän cho tuï ñieän ôû cöïc coång. Thôø gian phoùng vaø naïp tuï thöôøng raát nhoû (khoaûng vaøi ns) tuøy thuoäc vaøo FET loùn hay nhoû. Ñieän trôû trong cuûa FET khi daãn ñieän thay ñoåi tuyø vaøo khaû naêng chòu aùp cuûa FET do ñoù FET thöôøng coù ñònh möùc aù thaáp töông öùng vôùi ñieän trôû trong nhoû, toån hao ít. Tuy nhieân, do FET coù taàn soá ñoùng ngaét cao (thôûi gian tON vaø tOFF nhoû ), neân ôû ñònh möùc töø 300 ÷ 400 V, FET toû ra öu ñieåm hôn so vôùi BJT ôû taàn soá vaøi chuïc KHz. 4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): IGBT coù kyù hieäu vaø ñaëc tuyeán V – A nhö hình 3.12: Hình 3.12 Kyù hieäu vaø ñaëc tuyeán V – A cuûa IGBT. • Cöûa • • Nguoàn • Maùng b.Kyù hieäu FET keânh Na. Ñaëc tuyeán V - A VD ug = 3 ID ug = 4.5 ug = 6 V ug = 7.5 ug = 9 Vuøng baõo hoaø Vuøng caám Vuøng khueách ñaïi G C E VCE Ic VCE1 VCE2 VCE3 VCE4 VCE5 Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 11 Gioáng nhö MOSFET, IGBT coù toång trôû ngoõ vaøo raát lôùn laøm haïn cheá coâng suaát toån hao khi ñoùng ngaét. Gioáng nhö BJT, IGBT coù suït aùp khi daãn thaáp vaø khaû naêng chòu ñieän aùp khoùa cao vaø töông töï nhö GTO, IGBT coù khaû naêng chòu ñöôïc ñieän aùp ngöôïc cao. Taàn soá ñoùng ngaét cuûa IGBT raát cao vaø khaû naêng chòu taûi lôùn. Hình 3.13 Moät soá daïng cuûa IGBT 5. Thyristor: a. Caáu taïo: Tiristor laø linh kieän goàm 4 lôùp baùn daãn PNPN lieân tieáp taïo neân anode (A), kathode (K) vaø cöïc ñieàu khieån (G). Hình 3.14 Caáu taïo, sô ñoà thay theá vaø kyù hieäu cuûa thyristor Veà maët lyù thuyeát thì toàn taïi 2 loaïi caáu truùc cuûa thyristor laø PNPN vaø NPNP. Tuy nhieân trong thöïc teá, ngöôøi ta chæ phaùt trieån loaïi PNPN nhö hình veõ. Thyristor goàm 1 ñóa Silic töø ñôn theå loaïi N, treân lôùp ñeäm loaïi baùn daãn P coù cöïc ñieàu khieån baèng daây nhoâm, caùc lôùp chuyeån tieáp ñöôïc taïo neân baèng kyõ thuaät bay hôi cuûa Gali. Lôùp tieáp xuùc giöõa anoát vaø katoát laø baèng ñóa moâlipñen hay tungsen coù heä soá noùng chaûy gaàn baèng vôùi Gali. Caáu taïo daïng ñóa kim loaïi ñeå deã daøng taûn nhieät. Hình 3.15 Moät soá daïng cuûa thyristor b. Hoaït ñoäng cuûa thyristor: - Phaân cöïc thyristor: Hình 3.16 Sô ñoà phaân cöïc thyristor P N P N A K G a. Caáu taïo cuûa thyristor A b. Kyù hieäu cuûa thyristor K G A K G c. sô ñoà thay theá a. sô ñoà phaân cöïc thuaän b. sô ñoà phaân cöïc ngöôïc Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 12 - Töø sô ñoà thay theá cuûa thyristor ta thaáy, khi thyristor bò phaân cöïc ngöôïc (Ñieän aùp aâm ñaët vaøo A, ñieän aùp döông ñaët vaøo K) thì Q1 vaø Q2 khoâng theå daãn neân khoâng coù doøng chaûy qua thyristor, khi ñoù thyristor ngaét. - Khi ñöôïc phaân cöïc thuaän nhöng chöa coù doøng ñieän döa vaøo cöïc G, Q2 do chöa coù doøng ñieàu khieån neân Q2 khoâng daãn khi ñoù chöa coù doøng chaûy qua thyristor khi ñoù thyristor ôû traïng thaùi saün saøng daãn. Khi ta cho vaøo cöïc G moät doøng ñieàu khieån IG thì Q2 daãn. Khi T2 daãn, doøng ñieän chaûy qua Q2 chính laø doøng cöïc B cuûa Q1 do ñoù Q1 daãn. Khi Q1 daãn, doøng Ic cuûa Q1 seõ ñöa vaøo cöïc B cuûa Q2. Khi Q1 vaø Q2 daãn thì doøng ñieän chaûy qua colector cuûa transistor naøy seõ laø doøng ñieän chaûy vaøo bazô cuûa transistor kia vì theá chuùng seõ duy trì laãn nhau laøm cho thyristor daãn doøng ngay caû khi tín hieäu ñieàu kieån IG khoâng coøn. Thyristor chæ coù theå ngaét khi doøng ñieän chaûy qua thyristor baèng khoâng hoaëc ñaët ñieän aùp ngöôïc leân thyristor vì vaäy ngöôøi ta goïi thyristor laø linh kieän kích ñoùng. c. Ñaëc tuyeán V-A cuûa thyristor: Hình 3.17 Ñaëc tuyeán V – A cuûa Thyristor Ñaëc tuyeán V – A cuûa thyristor goàm 2 nhaùnh: nhaùnh thuaän vaø nhaùnh ngöôïc. ÔÛ nhaùnh nghòch thì ñaëc tuyeán V – A töông töï nhö cuûa diode. ÔÛ nhaùnh thuaän, khi IG = 0 ñaëc tuyeán V – A töông töï nhö nhaùnh ngöôïc, khi ñieän aùp ñaët leân thyristor lôùn hôn giaù trò Umax, thì doøng ñieän chaûy qua thyristor taêng nhanh, khi ñoù thiristor ôû traïng thaùi maát ñieàu khieån vaø coù theå bò phaù hoûng. Khi IG ≠ 0, tuyø vaøo giaù trò cuûa IG maø ñieän aùp khoùa seõ thay ñoåi, ñieän aùp khoùa seõ giaûm khi IG taêng vaø ngöôïc laïi. 6. Triac: Triac laø thieát bò baùn daãn ba cöïc, boán lôùp coù ñöôøng ñaëc tính volt-ampe ñoái xöùng, nhaän goùc môû α cho caû hai chieàu. Triac ñöôïc cheá taïo ñeå laøm vieäc trong maïch ñieän xoay chieàu, coù taùc duïng nhö 2 SCR ñaáu song song ngöôïc. Hình 3.17 Caáu taïo vaø kyù hieäu cuûa triac b. Kyù hieäu cuûa triac a. Caáu taïo cuûa triac G T2 T1 T1 G T2 N P NN P N c. Sô ñoà töông ñöông I VA Uñt Uma0 Nhaùnh thuaän Nhaùnh ngöôïc Chöông I: Caùc khoaù ñoùng ngaét vaø öùng duïng 13 Triac hoaït ñoäng töông töï nhö 2 thyristor nhöng cho doøng daãn theo caû 2 chieàu. Ñaëc tuyeán V-A cuûa triac nhö hình 3.18. Hình 3.18 Ñaëc tuyeán V – A cuûa triac 7. ÖÙng Duïng Cuûa Caùc Khoaù Ñieän Töû: Caùc khoaù ñieän töû ñöôïc öùng duïng ñeå laøm thieát bò ñoùng caét taàn soá cao trong caùc heä thoáng ñieàu khieån tuaàn töï nhö ñoùng ngaét caùc van trong heä thoáng ñieàu khieån duøng khí neùn, ñoùng ngaét nguoàn trong caùc heä thoáng ñieàu khieån nhieät ñoä … Öu ñieåm khi duøng khoaù ñieän töû so vôùi khoaù ñieän töø vaø khoaù cô laø khoaù ñieän töû khoâng sinh hoà quang khi ñoùng ngaét vaø taàn soá ñoùng ngaét cao hôn. Ñaëc bieät, caùc khoaù ñieän töû ñöôïc duøng ñeå laøm caùc boä bieán ñoåi coâng suaát ñeå taïo ra caùc daïng nguoàn coâng suaát lôùn cung caáp cho phuï taûi nhö: Chænh löu, nghòch löu, bieán ñoåi ñieän aùp moät chieàu, bieán ñoåi ñieän aùp xoay chieàu …. I VA Umax Umax 0 Nhaùnh thuaän Nhaùnh ngöôïc