Chào tất cả các bạn nhé, trong bài viết này mình sẽ giới thiệu đến các bạn cũng như là sẽ cùng nhau tìm hiểu về một loại linh kiện điện tử. Đó chính là thyristor, là một loại linh kiện thường dùng trong các board mạch của các thiết bị điện tử. Sẽ có rất nhiều bạn thắc mắc và muốn tìm hiểu về các thông tin liên quan đến loại linh kiện này. Chính vì thế mà bài viết này mình sẽ cung cấp cho các bạn các kiến thức liên quan đến chúng như thyristor là gì ? Cấu tạo ? Nguyên lý hoạt động của linh kiện này ? Các thông số của một thyristor ? Cách kiểm tra một thyristor cũng như các thông tin chi tiết liên quan khác. Từ đó các bạn sẽ có thêm một cái nhìn tổng quan về loại linh kiện này để áp dụng cho học tập và công việc nhé. Còn bây giờ thì bắt đầu nào.
Thyristor là gì ?
Trước khi vào nội dung chính thì chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sơ lược về chúng trước nhé. 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 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.
Lịch sử phát triển của thyristor:
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.
Cấu tạo của một thyristor là gì ?
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)
Kí hiệu của thyristor là gì ?
Về mặt kí hiệu thì thyristor sẽ khá giống với một con diode vậy. Dành cho những bạn chưa biết thì một diode thông thường sẽ cho phép dòng điện đi qua từ A sang K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K, còn với một Thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó và cần thêm một điều kiện nữa đó là phải kích thích một dòng điều khiển đi vào chân G.
Các loại thyristor thông dụng trên thị trường:
Dựa vào khả năng bật và tắt của thyristor chúng sẽ được phân thành các loại như sau:
- Thyristor 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 điều khiển pha hai chiều hoặc BCT
- Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCR
- Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR
- Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs
- Thyristor tích hợp cổng hoặc IGCT
Nguyên lý hoạt động của thyristor như thế nào ?
Các bạn có thể tham khảo 2 hình mô tả sau để có thể dễ dàng hình dung hơn về nguyên lý hoạt động của thyristor nhé. Cụ thể thì chúng ta có 3 trường hợp như sau:
Trường hợp 1: Cực G để hở hay VG = OV
Trong trường hợp 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 2: đóng khóa K
Trường hợp đóng khóa K thì VG = VDC – IGRG và 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 3: 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 cực ngược. Thyristor sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng 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 lại. Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor là VBR, thông thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.
IG= 0 ; IG2>IG1>IG
Các thông sỗ kỹ thuật của một thyristor là gì ?
Thông thường thì một thyristor sẽ có các thông số kỹ thuật nhất định, khi chúng ta sử dụng cần quan tâm đến các thông số này để có thể tiện cho việc chọn mua và sử dụng. Cụ thể chúng ta có các thông số như sau:
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb:
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép. Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường. Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết bị tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:
- Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép tới một phần ba 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.
- Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Iv,tb
Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung,max):
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode và cathode Uak luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ung,max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.
Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs):
Đây là thời gian 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 có thể có điện áp Uak dương mà thyristor vẫn khóa. τ là một thông số quan trọng của thyristor. Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần τ.
Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs):
Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận (Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua. Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500-2000 V/μs.
Cách đo kiểm tra Thyristor như thế nào ?
Trong phần này mình sẽ hướng dẫn các bạn cách thức đo kiểm tra thyristor bằng cách đặt đồng hồ thang x1W. Đầu tiên ta đặt que đen vào Anode và que đỏ vào cathode. Ban đầu kim của đồng hồ sẽ không lên, sau đó dùng Tua – vít chập chân A vào chân G thì ta thấy kim đồng hồ dịch chuyển. Tiếp theo sau đó ta bỏ Tua – vít ra đồng hồ vẫn lên kim, như vậy là Thyristor tốt. Các Thyristor thường được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu nhân đôi tự động của nguồn xung tivi màu.
Để có thể đảm bảo riêng thyristor còn hoạt động hay đã chết thì đòi hỏi chúng ta phải kiểm tra. Việc này có thể không cần thiết đối với các loại thyristor mới mua. Nhưng với các loại đã mua dữ trữ lâu dài thì việc kiểm tra là điều nên làm. Tránh các trường hợp khi chúng ta đã hàn vào mạch rồi nhưng khí đó mới biết răng thyristor đã hỏng thì rất khó xử lý thay mới. Lúc này sẽ làm kém thẩm mỹ board mạch cũng như phần nào đó làm ảnh hưởng đến các linh kiện và đường điện chạy trong board.
Ứng dụng của thyristor là gì ?
Các thiết bị thyristor đầu tiên được sản xuất cho mục đích thương mại vào năm 1956. Một thiết bị thyristor nhỏ có thể kiểm soát một lượng lớn điện áp và năng lượng. Vì thế nó được ứng dụng trong điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất điện và điều khiển tốc độ của động cơ điện. Trước đây, thyristor được dùng cho đảo ngược dòng điện để tắt thiết bị. Trên thực tế, nó có dòng điện trực tiếp nên rất khó sử dụng cho thiết bị. Nhưng bây giờ, bằng cách sử dụng tín hiệu cổng điều khiển có thể bật và tắt các thiết bị mới, có thể sử dụng Thyristor để bật và tắt hoàn toàn. Vì vậy, thyristor được sử dụng làm công tắc chứ không thích hợp làm bộ khuếch đại analog.
Trên thị tế thì thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn, và thường được sử dụng để điều khiển dòng 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). Ta có thể ví dụ một ứng dụng của thyristor như sau:
Trong mạch điện động cơ M là động cơ vạn năng, loại động cơ có thể dùng điện AC hay DC. Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dòng IG. Khi Thyristor chưa dẫn thì chưa có dòng qua động cơ, diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR. Điện áp cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2 – R3.
Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là VG = 1V và dòng điện kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phải khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua VR với hằng số thời gian là : T = (R1 + VR)C. Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của Thyristor tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ thay đổi.
Khi dòng AC có bán kỳ âm thì diode D và Thyristor đều bị phân cực nghịch nên diode ngưng dẫn và Thyristor cũng chuyển sang trạng thái ngưng dẫn.
Các ưu nhược điểm khi sử dụng thyristor là gì ?
Hầu hết mọi thứ khi sử dụng đều có những điểm mạnh và điểm yếu đúng không nào ? Và thyristor cũng không ngoại lệ, chúng cũng có những cái làm rất tốt và những cái chưa tốt. Và phần này mình sẽ liệt kệ ra những thứ mà chúng làm tốt và chưa tốt để các bạn có thể biết thêm nhé.
Ưu điểm:
Một số ưu điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):
- Có thể xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn.
- Có thể được bảo vệ bằng cầu chì.
- Rất dễ bật.
- Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) rất đơn giản.
- Rất đơn giản để kiểm soát.
- Chi phí thấp.
- Nó có thể điều khiển nguồn xoay chiều.
Nhược điểm:
Một số nhược điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):
- Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là thiết bị một chiều, vì vậy nó chỉ có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Do đó chỉ có nguồn một chiều được điều khiển bằng thyristor.
- Trong mạch xoay chiều, nó cần phải được bật trên mỗi chu kỳ.
- Không thể sử dụng ở tần số cao.
- Dòng điện ở cổng (gate) không thể âm.
