BÁO cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn đề tài tìm hiểu về thyristor

CHƯƠNG I: THYRISTORPHẦN 1: CẤU TẠO 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN

DẪN

Đề tài: Tìm hiểu về Thyristor

Nhóm 3 – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01

Ngày 20 tháng 05 năm 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN DẪN

Đề tài: Tìm hiểu về Thyristor

Nhóm 3 – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01

TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO

Dựa vào các kiến thức lí thuyết đã được học và đã tìm hiểu, trình bày cấu tạo, nguyên

lý hoạt động, đặc tuyến I-V, ứng dụng của Thyristor và phân tích 1 ví dụ về ứng dụng của Thyristor

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên với tình cảm sâu sắc và chân thành nhất cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các cá nhân và tổ chức đã tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ chúng

em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến đến cô Phan Võ Kim Anh và thầy Nhan Hồng Kỵ đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô nên đề tài bài tập lớn của em mới có thể hoàn thiện tốt đẹp

Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn cô - Người đã trực tiếp giúp đỡ, quan tâm, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt bài báo cáo này

Bài báo cáo bài tập lớn thực hiện trong khoảng thời gian ngắn bước đầu đi vào thực

tế của nhóm em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô để ý kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao

ý thức của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO 3

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU 5

CHƯƠNG 1: THYRISTOR Phần 1 Cấu tạo 6

Phần 2 Nguyên lý hoạt động 7

Phần 3 Đặc tuyến I-V 9

Phần 4 Ứng dụng 11

CHƯƠNG 2: Phân tích ứng dụng của Thyristor Phân tích ứng dụng của Thyristor 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Ảnh logo trường……… 1

Cấu tạo Thyristor 6

Nguyên lý hoạt động Thyristor 7

Đặc tuyến I-V 9

Proteus ví dụ Thyristor 13,14

CHƯƠNG I: THYRISTOR

PHẦN 1: CẤU TẠO

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 có ba cực hoạt động là anode (A) cathode (K), và cực điều khiển (G), nó có vai trò như một khóa điện tử có điều khiển Trong đó Thyristor chỉ cho phép dẫn điện

từ Anot sang Katot khi cho một dòng điện kích thích vào chân G

Vào những năm 1950 thì thyristor được đề xuất bởi William Shockley và bảo vệ bởi Moll cùng một số người khác ở phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà đứng đầu là Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W “Bill” Gutzwiller của General Electric năm 1957

Thông thường thì một thyristor sẽ bao gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

- A – kí hiệu anode: có nghĩa là cực dương

- K – kí hiệu cathode: có nghĩa là cực âm

- G – gate: có nghĩa là cực khiển (cực cổng)

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

PHẦN 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Trường hợp cực G để hở hay VG = OV

Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực B nên T1 ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện IA tăng nhanh Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding) Sau đó đặc tính của Thyristor giống như một diode nắn điện

 Trường hợp đóng khóa K:

VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện IG chính là IB1 làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1

Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà không cần có dòng IG liên tục

IC1 = IB2; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai transistor chạy ở trạng thái bão hòa Khi đó điện áp VAK giảm rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòng điện qua Thyristor là:

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập càng nhỏ tức Thyristor càng dễ dẫn điện

 Trường hợp phân cực ngược Thyristor.

Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn VCC Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng rỉ rất nhỏ đi qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn thì Thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiều ngược Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là VBR Thông thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu

PHẦN 3: ĐẶC TUYẾN I-V

Khi thyristor đã được chuyển sang ON và đang truyền dòng điện theo

hướng thuận (cực dương), tín hiệu cổng sẽ mất tất cả sự kiểm soát do tác động chốt tái tạo của hai bóng bán dẫn bên trong Việc áp dụng bất kỳ tín hiệu cổng hoặc xung nào sau khi tái tạo được bắt đầu sẽ không có tác dụng

gì cả vì thyristor đã được hoạt động và ON hoàn toàn

Đặc tuyến IV của Thyristor

Không giống như bóng bán dẫn, SCR không thể bị sai lệch khi ở trong một

số vùng hoạt động dọc theo đường tải giữa trạng thái chặn và bão hòa của

nó Độ lớn và thời lượng của xung bật tắt cổng Gate ít ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị do sự dẫn truyền được kiểm soát bên trong Sau đó, áp dụng xung cổng tạm thời cho thiết bị là đủ để khiến thiết bị hoạt động và sẽ tồn tại vĩnh viễn ngay cả khi tín hiệu cổng bị loại bỏ hoàn toàn

Do đó, thyristor cũng có thể được coi là một công tắc có thể có hai trạng thái ổn định ON hoặc OFF Điều này là do không áp dụng tín hiệu cổng, bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon chặn dòng điện theo cả hai hướng của dạng sóng AC và một khi được kích hoạt dẫn điện, hành động chốt tái tạo

có nghĩa là nó không thể được bật lại OFF bằng cách sử dụng Cổng Gate

Vậy làm thế nào thyristor thoát khỏi trạng thái OFF? Khi thyristor đã tự

vào trạng thái ON của nó và truyền một dòng điện, nó chỉ có thể được bật lại OFF bằng cách loại bỏ hoàn toàn điện áp cung cấp và do đó dòng Anode ( I A ) hoàn toàn, hoặc bằng cách giảm Anode của nó xuống cathode hiện bởi một số phương tiện bên ngoài (việc mở một công tắc chẳng hạn) xuống dưới một giá trị thường được gọi là “hiện tại nắm giữ tối thiểu”, IH

Do đó, dòng Anode phải được giảm xuống dưới mức giữ tối thiểu này đủ lâu để các thyristor bên trong chốt nối để khôi phục trạng thái chặn của chúng trước khi điện áp chuyển tiếp được áp dụng lại cho thiết bị mà không

tự động dẫn Rõ ràng sau đó để một thyristor tiến hành ở nơi đầu tiên, dòng Anode (I ), cũng là dòng tải của nó, IL phải lớn hơn giá trị hiện tại của nó A

Đó là IL > IH

Vì thyristor có khả năng bật điều khiển OFF bất cứ khi nào dòng Anode bị giảm xuống dưới giá trị giữ tối thiểu này Đo đó, khi được sử dụng trên nguồn cung cấp AC hình sin, SCR sẽ tự động chuyển sang OFF tại một giá trị nào đó gần với giá trị chéo vượt quá điểm của mỗi nửa chu kỳ, và như chúng ta biết bây giờ, sẽ vẫn còn OFF cho đến khi ứng dụng xung kích hoạt Cổng tiếp theo

Kể từ khi một điện áp hình sin AC liên tục đảo ngược trong cực từ chu kỳ

âm sang chu kỳ dương với mỗi nửa chu kỳ, điều này cho phép các thyristor

để biến “OFF” ở 180° ở điểm 0 của dạng sóng dương Hiệu ứng này được gọi là giao hoán tự nhiên, và là một đặc tính rất quan trọng của bộ chỉnh lưu điều khiển silicon

Các thyristor được sử dụng trong các mạch được cung cấp từ nguồn cung cấp DC, điều kiện giao hoán tự nhiên này không thể xảy ra do điện áp cung cấp DC liên tục, do đó, một số cách khác để bật ra OFF, thyristor phải được cung cấp vào thời điểm thích hợp vì một khi được kích hoạt nó sẽ vẫn hoạt động

Tuy nhiên, trong mạch hình sin AC giao hoán tự nhiên xảy ra cứ sau nửa chu kỳ Sau đó, trong nửa chu kỳ dương của dạng sóng hình sin AC,

thyristor bị lệch về phía trước (cực dương) và có thể được kích hoạt trạng thái ON bằng cách sử dụng tín hiệu Cổng hoặc xung Trong nửa chu kỳ âm, Anode trở nên âm trong khi Cathode dương Thyristor bị phân cực ngược bởi điện áp này và không thể dẫn điện ngay cả khi có tín hiệu Cổng Gate

Vì vậy, bằng cách áp dụng tín hiệu Cổng vào thời điểm thích hợp trong nửa dương của dạng sóng AC, thyristor có thể được kích hoạt dẫn truyền cho đến khi kết thúc nửa chu kỳ dương Do đó, điều khiển pha có thể được sử dụng để kích hoạt thyristor tại bất kỳ điểm nào dọc theo nửa dương của

dạng sóng AC và một trong nhiều ứng dụng của Bộ chỉnh lưu điều khiển

Silicon

PHẦN 4 : ỨNG DỤNG

- Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu dòng điện và điện

áp cao, và thường được sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều

AC(Alternating current), vì sự thay đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động(được biết như là quá trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp hình sin) Thiết bị có thể được coi là hoạt động một cách đồng bộ, một khi thiết bị được kích hoạt, nó dẫn dòng điện cùng pha với điện áp đặt qua cực âm của nó đến điểm nối cực dương

mà không cần điều chế cổng nào nữa

- Thyristor có thể được tìm thấy trong nguồn cung cấp năng lượng cho các mạch

kĩ thuật số, nơi chúng được sử dụng như một loại “Enhanced circuit breaker”

để ngăn chặn sự cố trong nguồn điện làm hỏng các bộ phận hạ nguồn

Thyristor được sử dụng trong chuyển tiếp với Zener diode gắn vào cổng của

nó, và nếu điện áp đầu ra của nguồn cung cấp tăng lên trên điện áp Zener, thyristor sẽ dẫn và đoản mạch đầu ra nguồn điện xuống đất Loại mạch bảo vệ dòng điện này được biết đến là “crowbar circuit”, có những lợi thế hơn bộ ngắt mạch tiêu chuẩn hay cầu chì trong đó nó tạo ra một đường dẫn điện cao tiếp đất đối với điện áp cung cấp gây hại và có khả năng cho năng lượng dự trữ trong hệ thống đang được cấp điện

*Mạch snubber: là mạch được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn dung để bảo vệ và cải tiến hiệu suất Chúng có nhiều mục đích khác nhau, cụ thể là giảm tiêu hao công suất trong mạng chuyển mạch điện tử công suất

- Thyristor có thể được kích hoạt bằng Khi tăng điện áp ngoài trên cực dương và cực

âm của thyristor, sẽ có một dòng điện tích tương tự như dòng điện nạp của tụ điện Tốc độ tăng tối đa của điện áp ngoài hoặc định mức của thyristor là một tham số quan trọng vì nó cho biết tốc độ tăng tối đa của điện áp anode không làm cho

thyristor trở nên dẫn điện khi không có tín hiệu cổng được áp dụng Khi dòng điện tích do tốc độ tăng của điện áp ngoài qua cực dương và cực âm của thyristor trở nên bằng dòng điện tích được đưa vào khi cổng được cấp điện thì nó dẫn đến kích hoạt

ngẫu nhiên và sai của thyristor không mong muốn

- Để tránh điều này xảy ra cần kết nối với mạch điện trở - tụ điện (RC) giữa cực dương và âm để hạn chế tốc độ thay đổi điện áp theo thời gian Snubbers là mạch hấp thụ năng lượng được sử dụng để triệt tiêu các xung điện áp gây ra bởi độ tự cảm của mạch khi một công tắc, điện hoặc cơ mở ra Mạch snubber phổ biến nhất là một

tụ điện và điện trở mắc nối tiếp qua công tắc(transistor)

*Hệ thống truyền tải mạch cao áp(HVDC electricity transmission):

- Kể từ khi các thyristor hiện đại có thể chuyển đổi công suất ở quy mô megawatt, van thyristor đã trở thành trái tim của viiệc chuyển đổi dòng điện một chiều cao áp (HVDC) sang hoặc từ dòng diện xoay chiều Trong lĩnh vực này và các ứng dụng công suất cao khác, cả thyristor kích hoạt bằng điện (ETT) và kích hoạt bằng ánh sáng (LTT) vẫn là lựa chọn chính Thyristor được bố trí thành các mạch cầu diode và

để giảm sóng hài( là sóng có tần số là bội số nguyên dương của tần số cơ bản) người

ta mắc nối tiếp tạo thành bộ biến đổi 12 xung Mỗi thyristor được làm mát bằng nước khử ion và toàn bộ sự sắp xếp trở thành một trong nhiều mô-đun giống hệt nhau tạo thành một lớp trong ngăn xếp van nhiều lớp được gọi là van bốn lớp

→ Thyris được sử dụng trong nhiều các ứng dụng đa dạng khác như:

- Chủ yếu được sử dụng trong bộ truyền động động cơ tốc độ thay đổi

- Công tắc đánh lửa ô tô

- Trong báo động chống trộm

- Làm thiết bị điều chỉnh độ sáng trong tivi, rạp chiếu phim…

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG CỦA

THYRISTOR

Một trong những ứng dụng của thyristor là hoạt động như 1 công tắc đóng và mở Đầu dương được nối vào anode, đầu âm được nối vào cathode và cồng kích G được

nối vào phần kích dòng điện

Hình 1 Sơ đồ mạch của thyristor hoạt động như công tắc.

Sơ đồ gồm 1 pin 12V, 1 nút bấm, 2 điện trở, 1 đèn led và 1 thyristor

Qui trình hoạt động:

 Khi chưa đóng button, không có dòng điện kích tại chân G nên thyristor không dẫn Từ đó led sẽ không phát sáng

 Khi đóng button, sẽ có đòng điện đi qua và kích vào chân G làm cho thyristor dẫn, Từ đó led phát sáng

 Thả button, do trước đó đã có dòng điện kích nên thyristor vẫn dẫn, led vẫn sẽ phát sáng

Hình 2 Sau khi đã đóng và nhả button

TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Giáo trình Vật Lý Bán Dẫn