Nguyên lý làm việc : Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, Anode nối vào cực dương, Cathode nối vào cực âm của nguồn, thì J1, J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược.. Điện t
Trang 1Chương 3: THYRISTOR
1 Cấu tạo và ký hiệu:
Thyristor được viết tắt là SCR (Silicon Controlled Rectifier), gồm bốn lớp bán dẫn P1 N1 P2 N2 tạo thành như hình vẽ:
+ A : Anode(dương cực )
J1
G : Gate J2
(cực khiển) J3
-K : Cathod(âm cực )
2 Nguyên lý làm việc :
Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, Anode nối vào cực dương, Cathode nối vào cực âm của nguồn, thì J1, J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược Khi này toàn bộ điện áp đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hướng P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy qua Thyristor, mặc dù nó bị đặt dưới điện áp thuận
a Mở Thyristor.
Nếu ta đưa một xung điện áp dương Vg (dương sg với K) tác động vào cực cổng (gate), các điện tử từ N2 chạy sang P2 Khi này, một số ít của chúng chảy vào nguồn Vg đồng thời lúc này hình thành dòng điện điều khiển Ig chạy theo hướng G J3 K G Còn phần lớn điện tử, chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc độ động năng cũng lớn lên, bẻ gãy các liên kết của nguyên tử Si, tạo nên những nguyên tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp
P 1
N 1
P 2
G
A SCR
Hình I.12
Cấu tạo và ký hiệu của
Trang 2Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện ngày càng
nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện
ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J2 trở nên mặt ghép dẫn
điện, bắt đầu từ một điểm đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra
toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100 s
Điện trở của Thyristor khoảng 100k khi ở trạng thái khóa,
còn trạng thái mở khoảng 0.01
J1
J2 J3
k A
K
G
Hình trên là một phương pháp mở Thyristor đơn giản
Khi nhấn S1(nối R1 với cực cổng) thì Thyristor mở khi Ig >=
Igst
Và thường lấy Ig=(1.11.2)Igst Điện trở R1 được tính là :
R1 = E/(1.1 1.2)Igst
R2 = 100 1000
Trong đó Igst là giá trị cho dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra
cứu Thyristor
Tóm lại Thyristor mở khi : VAK >1V và Ig >= Igst.
Thời gian mở ton là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện
chính chảy qua Thyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực
điều khiển và thời gian kéo dài khoảng 10s
b Khóa Thyristor.
Hình I.13
Sơ đồ mạch SCR điển hình.
1 + -10V
P 1 N 1 P 2 N 2
Trang 3* Làm giảm giá trị dòng điện làm việc xuống dưới giá trị dòng duy trì IH
* Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (thường sử dụng )
Khi VAK < 0v thì J1, J3 phân cực ngược còn J2 phân cực thuận Các điện tử, trước thời điểm đảo cực tính VAK , đang có mặt tại P1,
N1, P2, giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Cathode về Anode, về cực âm của nguồn điện áp ngoài
Như hình ta thấy từ t0 đến t1, dòng ngược khá lớn , sau đó J1 rồi
J3 trở nên cách điện Còn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm cho chúng mất dần đi cho đến hết, đồng thời J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển
Thời gian toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng ngược (t0) cho tới dòng điện ngược bằng 0(t2), trong khoảng thời gian này nếu
lên Thyristor, thì Thyristor cũng không mở, toff kéo dài trong khoảng vài chục s
Thyristor mở +VAK Thyristor khóa
i
I
Ing max
U
toff
Ung 0 t
t
Hình I.14
Các dạng sóng điện áp khi tắt SCR.
Trang 43 Đặc tuyến Volt-Ampe của Thyristor.
I(A)
3
2
Uz 0
1
Uch U (v)
4
Đặc tính Volt -Ampe của Thyristor gồm 4 đoạn :
Đoạn 1 : Ứng với trạng thái Thyristor khóa, chỉ có dòng điện
rò chạy qua Thyristor Khi U tăng lên đến Uch (điện áp chuyển
trạng thái ) - quá trình bắt đầu tăng trưởng nhanh chóng của dòng
điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở
Đoạn 2 : Giai đoạn này phân cực của thuận của Thyristor
Trong giai đoạn này mỗi lượng tăng trưởng nhỏ của dòng điện ứng
với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor
Đoạn này được gọi là điện trở âm
Hình I.15
Đặt tính volt – ampe của
Trang 5Thyristor chỉ còn phù thuộc vào điện trở của mạch ngoài và điện áp rơi trên Thyristor khoảng 1V Thyristor được giữ ở trạng thái mở khi dòng điện I vẫn lớn hơn dòng duy trì (IH)
Đoạn 4 : là trạng thái Thyristor bị đặt dưới một điện áp
ngược và Ing bằng vài chục mA Nếu U = Uz thì Thyristor bị hư
4 Những tổn hao của Thyristor.
* Tổn hao do dòng điện thuận khi Thyristor ở trạng thái mở và khóa
* Tổn hao do dòng điện ngược
* Tổn hao do chuyển mạch
Bằng phương pháp tuyến tính hóa đường đặc tính ta có thể để tính được tổn hao do dòng điện thuận gây ra khi nó ở trạng thái khóa :
2 0
0
1
1
th thtb thtb th
T
Trong đó :
Pth là giá trị công suất trung bình khi Thyristor ở trạng thái khóa và điện áp trên nó là điện áp thuận
1 ,Uthtb, Uth lần lượt là khoảng thời gian, giá trị điện áp trung bình, điện áp hiệu dụng mà điện áp đặt trên nó là điện áp thuận
uth , I là giá trị tức thời của áp và dòng khi Thyristor bị khóa
5 Các thông số cơ bản cần quan tâm để chọn Thyristor.
* Dòng điện thuận định mức Imax.
Nếu giá trị qua Thyristor lớn hơn giá trị Imax thì nó sẽ bị hư
* Điện áp ngược cực đại Ungmax
Đây là điện áp lớn nhất mà Thyristor chưa bị đánh thủng Nếu Thyristor có
Ung > Ungmax thì nó bị hỏng
* Điện áp rơi U (V)
* Dòng điện điều khiển cực G (mA)
Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường điện thế UAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực cổng (gate) Dùng IGmin là trị dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng IGmin
Trang 6còn tùy thuộc vào công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì IGmin càng lớn Thông thường IGmin = (1đến vài chục mA).
* Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/s)
* Tốc độ tăng điện áp du/dt (V/s)
* Dòng điện rò Ico (mA)
6 Bảo vệ quá điện áp.
Thyristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức (gọi là quá điện áp )
Có hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp :
Nguyên nhân bên trong : đó là sự tích tụ điện tích trong các
lớp bán dẫn Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn (hình I.16a) Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor Do đó giữa anode và cathode của thyristor xuất hiện quá điện áp
Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xảy
ra ngẩu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ nhảy, có sấm sét
Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RC, chúng được mắc như hình I.16b:
Hình I.16b Hình I.16a
t
t i
u AC
R C
SCR
Trang 77 Ứng dụng :
Dùng trong các mạch điền khiển động cơ, trong các mạch báo động…
