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

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 Thyristor Nhóm – 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 Thyristor Nhóm – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01 Thành viên Trần Huy Hoàng Anh Võ Trọng Tấn Ngơ Trí Qn Lê Hồ Minh Huy MSSV 2112813 2114745 2114545 2111299 TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO Dựa vào kiến thức lí thuyết học tìm hiểu, trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tuyến I-V, ứng dụng Thyristor phân tích ví dụ ứng dụng Thyristor LỜI CẢM ƠN Trước tiên với tình cảm sâu sắc chân thành cho phép chúng em bày tỏ lòng biết ơn đến tất cá nhân tổ chức tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ chúng em suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập trường đến nay, chúng em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cô bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến đến cô Phan Võ Kim Anh thầy Nhan Hồng Kỵ truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy cô nên đề tài tập lớn em hồn thiện tốt đẹp Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn - Người trực tiếp giúp đỡ, quan tâm, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt báo cáo Bài báo cáo tập lớn thực khoảng thời gian ngắn bước đầu vào thực tế nhóm em cịn hạn chế cịn nhiều bỡ ngỡ Khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô để ý kiến thức em lĩnh vực hồn thiện đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO .3 LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .4 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: THYRISTOR Phần Cấu tạo Phần Nguyên lý hoạt động Phần Đặc tuyến I-V .9 Phần Ứng dụng 11 CHƯƠNG 2: Phân tích ứng dụng Thyristor Phân tích ứng dụng Thyristor 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Ảnh logo trường…………………………………… Cấu tạo Thyristor .6 Nguyên lý hoạt động Thyristor Đặc tuyến I-V Proteus ví dụ Thyristor .13,14 CHƯƠNG I: THYRISTOR PHẦN 1: CẤU TẠO Thyristor hay gọi với tên đầy đủ Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển) phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn loại linh kiện sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử Thyristor có ba cực hoạt động anode (A), cathode (K) cực điều khiển (G), có vai trị khóa điện tử có điều khiển Trong Thyristor cho phép dẫn điện từ Anot sang Katot cho dịng điện kích thích vào chân G Vào năm 1950 thyristor đề xuất William Shockley bảo vệ Moll số người khác phịng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), phát triển lần đầu kỹ sư lượng General Electric (G.E) mà đứng đầu Gordon Hall thương mại hóa Frank W “Bill” Gutzwiller General Electric năm 1957 Thơng thường thyristor bao gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ nối ba chân: - A – kí hiệu anode: có nghĩa cực dương - K – kí hiệu cathode: có nghĩa cực âm - G – gate: có nghĩa cực khiển (cực cổng) Thyristor chất điốt ghép từ transistor có với hai chiều đối nghịch điều khiển (tương đương hai BJT gồm BJT loại NPN BJT loại PNP) Chúng hoạt động cấp điện tự động ngắt, trở trạng thái ngưng dẫn khơng có điện Nó thường dùng cho chỉnh lưu dịng điện có điều khiển PHẦN 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG  Trường hợp cực G để hở hay VG = OV Khi cực G VG = OV có nghĩa transistor T1 khơng có phân cực cực B nên T1 ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = T2 ngưng dẫn Như trường hợp Thyristor khơng dẫn điện được, dịng điện qua Thyristor IA = VAK ≈ VCC Tuy nhiên, tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn điện áp VAK tăng theo đến điện ngập VBO (Beak over) điện áp VAK giảm xuống diode dòng điện IA tăng nhanh Lúc Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi dòng điện trì IH (Holding) Sau đặc tính Thyristor giống diode nắn điện  Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc Thyristor dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện Lúc transistor T1 phân cực cực B1 nên dòng điện IG IB1 làm T1 dẫn điện, cho IC1 dịng điện IB2 nên lúc I2 dẫn điện, cho dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 IC2 = IB1 Nhờ mà Thyristor tự trì trạng thái dẫn mà khơng cần có dịng IG liên tục IC1 = IB2; IC2 = IB1 Theo nguyên lý dòng điện qua hai transistor khuếch đại lớn dần hai transistor chạy trạng thái bão hịa Khi điện áp VAK giảm nhỏ (≈ 0,7V) dòng điện qua Thyristor là: Thực nghiệm cho thấy dòng điện cung cấp cho cực G lớn áp ngập nhỏ tức Thyristor dễ dẫn điện  Trường hợp phân cực ngược Thyristor Phân cực ngược Thyristor nối A vào cực âm, K vào cực dương nguồn VCC Trường hợp giống diode bị phân cự ngược Thyristor khơng dẫn điện mà có dòng rỉ nhỏ qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn Thyristor bị đánh thủng dòng điện qua theo chiều ngược Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor VBR Thông thường trị số VBR VBO ngược dấu PHẦN 3: ĐẶC TUYẾN I-V Khi thyristor chuyển sang ON truyền dòng điện theo hướng thuận (cực dương), tín hiệu cổng tất kiểm soát tác động chốt tái tạo hai bóng bán dẫn bên Việc áp dụng tín hiệu cổng xung sau tái tạo bắt đầu khơng có tác dụng thyristor hoạt động ON hồn tồn Đặc tuyến IV Thyristor Khơng giống bóng bán dẫn, SCR bị sai lệch số vùng hoạt động dọc theo đường tải trạng thái chặn bão hịa Độ lớn thời lượng xung bật tắt cổng Gate ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị dẫn truyền kiểm sốt bên Sau đó, áp dụng xung cổng tạm thời cho thiết bị đủ để khiến thiết bị hoạt động tồn vĩnh viễn tín hiệu cổng bị loại bỏ hồn tồn Do đó, thyristor coi cơng tắc có hai trạng thái ổn định ON OFF Điều khơng áp dụng tín hiệu cổng, chỉnh lưu điều khiển silicon chặn dòng điện theo hai hướng dạng sóng AC kích hoạt dẫn điện, hành động chốt tái tạo có nghĩa khơng thể bật lại OFF cách sử dụng Cổng Gate Vậy làm thyristor thoát khỏi trạng thái OFF? Khi thyristor tự vào trạng thái ON truyền dịng điện, bật lại OFF cách loại bỏ hồn tồn điện áp cung cấp dịng Anode ( I A ) hồn tồn, cách giảm Anode xuống cathode số phương tiện bên ngồi (việc mở cơng tắc chẳng hạn) xuống giá trị thường gọi “hiện nắm giữ tối thiểu”, IH Do đó, dịng Anode phải giảm xuống mức giữ tối thiểu đủ lâu để thyristor bên chốt nối để khôi phục trạng thái chặn chúng trước điện áp chuyển tiếp áp dụng lại cho thiết bị mà không tự động dẫn Rõ ràng sau để thyristor tiến hành nơi đầu tiên, dòng Anode (I A ), dòng tải nó, IL phải lớn giá trị Đó IL > IH Vì thyristor có khả bật điều khiển OFF dòng Anode bị giảm xuống giá trị giữ tối thiểu Đo đó, sử dụng nguồn cung cấp AC hình sin, SCR tự động chuyển sang OFF giá trị gần với giá trị chéo vượt điểm nửa chu kỳ, biết bây giờ, OFF ứng dụng xung kích hoạt Cổng Kể từ điện áp hình sin AC liên tục đảo ngược cực từ chu kỳ âm sang chu kỳ dương với nửa chu kỳ, điều cho phép thyristor để biến “OFF” 180° điểm dạng sóng dương Hiệu ứng gọi giao hoán tự nhiên, đặc tính quan trọng chỉnh lưu điều khiển silicon Các thyristor sử dụng mạch cung cấp từ nguồn cung cấp DC, điều kiện giao hốn tự nhiên khơng thể xảy điện áp cung cấp DC liên tục, đó, số cách khác để bật OFF, thyristor phải cung cấp vào thời điểm thích hợp kích hoạt hoạt động Tuy nhiên, mạch hình sin AC giao hoán tự nhiên xảy sau nửa chu kỳ Sau đó, nửa chu kỳ dương dạng sóng hình sin AC, thyristor bị lệch phía trước (cực dương) kích hoạt trạng thái ON cách sử dụng tín hiệu Cổng xung Trong nửa chu kỳ âm, Anode trở nên âm Cathode dương Thyristor bị phân cực ngược điện áp khơng thể dẫn điện có tín hiệu Cổng Gate Vì vậy, cách áp dụng tín hiệu Cổng vào thời điểm thích hợp nửa dương dạng sóng AC, thyristor kích hoạt dẫn truyền kết thúc nửa chu kỳ dương Do đó, điều khiển pha sử dụng để kích hoạt thyristor điểm dọc theo nửa dương dạng sóng AC nhiều ứng dụng Bộ chỉnh lưu điều khiển Silicon 10 PHẦN 4: ỨNG DỤNG - Thyristor chủ yếu sử dụng ứng dụng yêu cầu dòng điện điện áp cao, thường sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều AC(Alternating current), thay đổi cực tính dịng điện khiến thiết bị đóng cách tự động(được biết q trình Zero Cross-q trình đóng cắt đầu lân cận điểm điện áp hình sin) Thiết bị coi hoạt động cách đồng bộ, thiết bị kích hoạt, dẫn dịng điện pha với điện áp đặt qua cực âm đến điểm nối cực dương mà không cần điều chế cổng - Thyristor tìm thấy nguồn cung cấp lượng cho mạch kĩ thuật số, nơi chúng sử dụng loại “Enhanced circuit breaker” để ngăn chặn cố nguồn điện làm hỏng phận hạ nguồn Thyristor sử dụng chuyển tiếp với Zener diode gắn vào cổng nó, điện áp đầu nguồn cung cấp tăng lên điện áp Zener, thyristor dẫn đoản mạch đầu nguồn điện xuống đất Loại mạch bảo vệ dòng điện biết đến “crowbar circuit”, có lợi ngắt mạch tiêu chuẩn hay cầu chì tạo đường dẫn điện cao tiếp đất điện áp cung cấp gây hại có khả cho lượng dự trữ hệ thống cấp điện *Mạch snubber: mạch sử dụng thiết bị bán dẫn dung để bảo vệ cải tiến hiệu suất Chúng có nhiều mục đích khác nhau, cụ thể giảm tiêu hao công suất mạng chuyển mạch điện tử cơng suất - Thyristor kích hoạt Khi tăng điện áp cực dương cực âm thyristor, có dịng điện tích tương tự dịng điện nạp tụ điện Tốc độ tăng tối đa điện áp định mức thyristor tham số quan trọng cho biết tốc độ tăng tối đa điện áp anode không làm cho thyristor trở nên dẫn điện khơng có tín hiệu cổng áp dụng Khi dịng điện tích tốc độ tăng điện áp qua cực dương cực âm thyristor trở nên dịng điện tích đưa vào cổng cấp điện dẫn đến kích hoạt 11 ngẫu nhiên sai thyristor không mong muốn - Để tránh điều xảy cần kết nối với mạch điện trở - tụ điện (RC) cực dương âm để hạn chế tốc độ thay đổi điện áp theo thời gian Snubbers mạch hấp thụ lượng sử dụng để triệt tiêu xung điện áp gây độ tự cảm mạch công tắc, điện mở Mạch snubber phổ biến tụ điện điện trở mắc nối tiếp qua công tắc(transistor) *Hệ thống truyền tải mạch cao áp(HVDC electricity transmission): - Kể từ thyristor đại chuyển đổi công suất quy mô megawatt, van thyristor trở thành trái tim viiệc chuyển đổi dòng điện chiều cao áp (HVDC) sang từ dòng diện xoay chiều Trong lĩnh vực ứng dụng cơng suất cao khác, thyristor kích hoạt điện (ETT) kích hoạt ánh sáng (LTT) lựa chọn Thyristor bố trí thành mạch cầu diode để giảm sóng hài( sóng có tần số bội số nguyên dương tần số bản) người ta mắc nối tiếp tạo thành biến đổi 12 xung Mỗi thyristor làm mát nước khử ion toàn xếp trở thành nhiều mô-đun giống hệt tạo thành lớp ngăn xếp van nhiều lớp gọi van bốn lớp → Thyris sử dụng nhiều ứng dụng đa dạng khác như: - Chủ yếu sử dụng truyền động động tốc độ thay đổi - Công tắc đánh lửa ô tô - Trong báo động chống trộm - Làm thiết bị điều chỉnh độ sáng tivi, rạp chiếu phim… 12 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG CỦA THYRISTOR Một ứng dụng thyristor hoạt động cơng tắc đóng mở Đầu dương nối vào anode, đầu âm nối vào cathode cồng kích G nối vào phần kích dịng điện Hình Sơ đồ mạch thyristor hoạt động công tắc Sơ đồ gồm pin 12V, nút bấm, điện trở, đèn led thyristor Qui trình hoạt động:  Khi chưa đóng button, khơng có dịng điện kích chân G nên thyristor khơng dẫn Từ led khơng phát sáng  Khi đóng button, có địng điện qua kích vào chân G làm cho thyristor dẫn, Từ led phát sáng  Thả button, trước có dịng điện kích nên thyristor dẫn, led phát sáng 13 Hình Sau đóng nhả button 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình Vật Lý Bán Dẫn - 15 ... 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 Thyristor Nhóm – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01 Thành viên Trần Huy Hoàng Anh Võ Trọng... làm cho thyristor dẫn, Từ led phát sáng  Thả button, trước có dịng điện kích nên thyristor dẫn, led phát sáng 13 Hình Sau đóng nhả button 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình Vật Lý Bán Dẫn - 15... 2114545 2111299 TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO Dựa vào kiến thức lí thuyết học tìm hiểu, trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tuyến I-V, ứng dụng Thyristor phân tích ví dụ ứng dụng Thyristor LỜI CẢM ƠN