4 6 3 thiết kế mô hình kích thyristor

Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH THYRISTOR GVHD Nguyễn Xn Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Chương GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THYRISTOR I - Cấu tạo – Nguyên lý làm việc Thyristor - Cấu tạo Thyristor gọi SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) loại linh kiện lớp P – N đặt xen kẽ Để tiện việc phân tích lớp bán dẫn người ta đặt P1, N1, P2, N2, lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp từ xuống J1, J2, J3 Sơ đồ cấu trúc, ký hiệu, sơ đồ tương đương cấu tạo thyristor trình bày H1 H.I.1a H.I.1b H.I.1c H.I.1d A : Anốt K : catốt G : Cực điều khiển J1, J3 : Mặt tiếp giáp phát điện tích J2 : Mặt tiếp giáp trung gian H.I.1a : Sơ đồ ký hiệu SCR H.I.1b : Sơ đồ cấu trúc bốn lớp SCR H.I.1c : Sơ đồ mô tả cấu tạo SCR H.I.1d : Sơ đồ tương đương SCR Nguyên lý làm việc thyristor: Có thể mô Thyristor hai transistor Q 1, Q2 H.I.1d Transistor Q1 ghép kiểu PNP, Q2 kiểu NPN Gọi 1, 2 hệ số truyền điện tích Q1và Q2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A &K Thyristor, mặt tiếp giáp J & J3 chuyển dịch thuận, mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung Q1 & Q2 ) Do dịng chảy qua J2 IJ2 IJ2 = 1 Ie1 + 2Ie2 + Io I0 : Là dòng điện rò qua J2 Nhưng Q1 & Q2 ghép thành tổng thể ta có: Ie1 = Ie2 = IJ2 = I Do IJ2 = I = 1 I + 2 I + Io Suy => I = Io / [1-( 1 + 2 )] (1) GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dịng chảy qua nó, dẫn đến 1, 2 điều có giá trị nhỏ, I  Io, hai transistor trạng thái ngắt Từ biểu thức (1) ta thấy dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ số truyền điện tích 1 & 2 Mối quan hệ  dòng emiter trình bày H.I.2 Như 1 + 2 tăng dần đến I tăng nhanh Theo sơ đồ tương đương SCR H.I.1d ta giải thích sau: - Dịng IC1 chảy vào cực B Q2 làm cho  Q2 dẫn IC2 tăng, tức IB1 tăng (IC2 = IB1) khiến Q1 dẫn mạnh -> IC1 tăng tiếp diễn Hiện tượng gọi hồi tiếp dương dòng, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng Ie điện chảy qua Thyristor - Dòng Ie1 tăng làm cho 1 tăng H.I.2 (H.I.2), tăng Ie2 làm cho 2 tăng Cuối thưcï điều kiện (1 + 2) > 1, hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc nội trở A K SCR nhỏ Vậy muốn làm cho Q1, Q2 từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hoà (hay muốn mở Thyristor) cần làm tăng I B2 Để làm việc người ta thường cho dòng điều khiển Iđk chảy vào cực cổng Thyristor, theo chiều IB2 H.I.1d GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền II Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor: H.I.3 H.I.3 Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor Ith max : Giá trị cực đại dòng thuận Uth : Điện áp thuận Ung : Điện áp ngược Udt : Điện áp đánh thủng Ing : Dòng ngược Io : Dịng rị qua Thyristor Idt : Dịng trì u: Điện áp rơi Thyristor Để giải thích ý nghĩa vật lý đường đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor, người ta chia làm bốn đoạn đánh số la mã H.I 3b - Đoạn ( I) ứng với trạng thái ngắt Thyristor Trong đoạn (1 + 2 ) < 1, có dịng rị qua Thyristor I  Io, việc tăng giá trị U có ảnh hưởng đến giá trị dịng I Khi U tăng đến giá trị U ch (điện áp chuyển mạch) bắt dầu q trình tăng trưởng nhanh chóng dòng điện,Thyristor chuyển sang trang thái mở -Đoạn (II) ứng với giai đoạn chuyển dịch thuận mặt tiếp giáp J (Q1, Q2 chuyển sang trạng thái bão hoà) Ở giai đoạn này, lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn điện áp Đoạn gọi đoạn điện trở âm -Đoạn (III) ứng với trạng thái mở Thyristor Trong đoạn mặt tiếp giáp J1, J2, J3 điều chuyển dịch thuận, giá trị điện áp nhỏ tạo dịng điện lớn Lúc dòng điện thuận bị hạn chế điện trở mạch ngoài, điện áp rơi Thyristor nhỏ Thyristor giữ trạng thái mở chừng dòng Ith cịn lớn dịng trì Idt GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền - Đoạn (IV) ứng với trạng thái Thyristor ta đặt điện áp ngược lên (cực dương lên catốt, cực âm lên Anod) Lúc J 1, J3 chuyển dịch ngược, J2 chuyển dịch thuận, khả khố J3 yếu nên nhánh ngược đặc tính Volt-Ampere chủ yếu định khả khoá mặt tiếp giáp J1, có dạng nhámh ngược đặc tính diod thường Dịng điện Ing có giá trị nhỏ Ing  Io Khi tăng Ung đến giá trị Uđt (điện áp đánh thủng) J bị chọc thủng Thyristor bị phá hỏng Vì để tránh hư hỏng cho Thyristor ta khơng nên đặt điện áp ngược có giá trị gần Uđt lên Thyristor Nếu cho giá trị khác dòng điều khiển I đk nhận họ đường đặc tính Volt-Ampere Thyristor (H.I.4) Đoạn (I) đường đặc tính Volt-Ampere bị rút ngắn lại điện áp U ch nhỏ tăng dần giá trị Uđk Khi dịng điều khiển tương đối lớn Iđk3 (H.I.4) đường đặc tính nắn gần thẳng giống nhánh thuận đặc tính Diod, nói với giá trị Iđk (1 + 2) mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch thuận nhanh chóng H.I.4 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền III Các thông số chủ yếu Thyristor Điện áp thuận cực đại (Uth.max): Là giá trị điện áp lớn đặt lên Thyristor theo chiều thuận mà Thyristor trạng thái mở Nếu vượt giá trị làm hỏng Thyristor Điện áp ngược cực đại (Ung max): Là điện áp lớn dặt lên Thyristor theo chiều ngược mà Thyristor không hỏng Dưới tác động điện áp này, dịng điện ngược có giá trị Ing = (10 - 20)mmA Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển (H I 5) Ung Ung.max (10-20)mA Iđk=0 Iđk1=100mA Iđk2=1A Ing Iđk < Iđk1 < Iđk2 H.I.5 Điện áp định mức (Uđm): giá trị điện áp cho phép đặc lên Thyristor theo chiều thuận ngược Thông thường U đm = 2/3 Uth max Điện áp rơi Thyristor: Là giá trị điện áp Thyristor Thyristor trạng thái mở Điện áp chuyển trạng thái (Uch): Ở giá trị điện áp này, không cần có I đk, Thyristor chuyển sang trạng thái mở Dịng điện định mức (Iđm): Là dịng điện có giá trị trung bình lớn phép chảy qua Thyristor Điện áp dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin): Là giá trị nhỏ điện áp điều khiển đặt vào G - K dòng điện điều khiển đảm bảo mở Thyristor Thời gian mở Thyristor (Ton): Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòng điện tăng đến 0,9 Iđm Thời gian khoá Thyristor (Toff ): GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = đến thời điểm lại xuất điện áp thuận Anod mà Thyristor không chuyển sang trạng thái mở 10 Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (du/ dt): Là giá trị lớn tốc độ tăng áp Anod mà Thyristor không chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở 11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/ dt): iá trị lớn tốc độ tăng dòng trình mở Thyristor IV Mở Thyristor: + Các biện pháp mở Thyristor: a) Nhiệt độ: Nếu nhiệt độ Thyristor tăng cao, số lượng điện tử tự tăng lên, dẫn đến dòng điện rò Io tăng lên Sự tăng dịng làm cho hệ số truyền điện tích 1, 2 tăng Thyristor mở Mở Thyristor phương pháp không điều khiển chạy hỗn loạn dòng nhiệt nên thường loại bỏ b ) Điện cao: Nếu phân cực Thyristor điện lớn điện áp đánh thủng Uđt Thyristor mở Tuy nhiên phương pháp làm cho Thyristor bị hỏng nên không áp dụng c ) Tốc độ tăng điện áp (du/dt): Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên Anod Catot dịng điện tích tụ điện tiếp giáp có khả mở Thyristor Tuy nhiên dịng điện tích lớn phá hỏng Thyristor thiết bị bảo vệ Thông thường tốc độ tăng điện áp du/dt nhà sản xuất qui định d) Dòng điều khiển cực G Khi Thyristor phân cực thuận ta đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai cực G & K Thyristor dẫn, dịng IG tăng Uđt giảm GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền V Khoá Thyristor: Khoá Thyristor tức trả trạng thái ban đầu trước mở với đầy đủ tính chất điều khiển Có hai phuơng pháp khố Thyristor : - Giảm dòng điện thuận cắt nguồn cung cấp - Đặt điện áp ngược lên Thyristor A + Quá trình khố Thyristor: Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor (H.I.7a ) tiếp giáp J 1, J3 chuyển dịch ngược, J2 chuyển dịch thuận Do tác dụng điện trường ngoài, lỗ trống lớp P2 chạy qua J3 Catot lớp N1 lổ trống chạy qua J1 Anod tạo nên dòng điện ngược chạy qua tải, giai đoạn từ t o -t1 ( H.I.7b ) Khi lỗ trống bị tiêu tán hết J & J3 (chủ yếu J1) ngăn cản khơng cho điện tích tiếp tục chảy qua, dịng ngược bắt đầu giảm xuống, từ t - t2 gọi thời gian khoá Thyristor Thời gian khoá thường dài gấp - 10 lần thời gian mở P1J1 N1 J2P2 J3 N2 Ith Ip _ U H.I.7a In + R GVHD Nguyễn Xuân Khai K tm t0 t1 H.I.7b t2 t Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền VI Một số sơ đồ Thyristor: Sơ đồ chủ yếu dùng Thyristor mạch chiều Sau hiểu biết đặc tính Thyristor ta nghiên cưú số sơ đồ chủ yếu để kiểm chứng lại đặc tính phương diện thực hành H.I.9 H I.9 giới thiệu công tắc tơ chiều đơn giản dùng để điều khiển bóng đèn 12 Volt,100mmA Nếu cần thiết ta thay tải khác vào vị trí bóng đèn, trường hợp tải cảm kháng cần phải nối song song Diod D1 để tránh cho mạch khỏi cố sức điện động cảm ứng gây Khi đóng cắt mạch Thyristor dùng mạch chịu dịng điện Anod đến 2A đóng (thơng mạch) dòng điện điều khiển bé cỡ vài trăm miliAmpere Dòng điện điều khiển cấp qua điện trở bảo vệ R1 nút ấn S1 Điện trở R2 nối cực khiển Catot dùng để nâng cao độ ổn định mạch điện Khi nhấn S1 mạch đóng điện, Thyristor mở nút S1 hở mạch trì trạng thái mở Muốn cho Thyristor ngưng dẫn ta nhanh chóng đưa dịng điện Anod trở khơng cách nhấn nút S2 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền H.I.10 giới thiệu phương pháp ngắt Thyristor Thực vậy, T trang thái mở, tụ C1 nạp từ nguồn qua điện trở R Khi ta ấn S2 lại, cực dương tụ nối mass áp tụ làm cho Anod T trở thành âm, điều gây đảo ngược phân cực T làm cho ngắt Tụ C phóng nhanh đủ để giữ cho anod âm vài phần triệu giây, đảm bảo cho T ngưng dẫn Cần ý S giữ trạng thái đóng sau dịng tải ngắt, tụ nạp ngược thơng qua tải, cần chọn tụ khơng phân cực tụ Mylar tụ Polyester H.I.11 Một phương pháp khác khoá T tụ H.I.11 Ở đây, người ta dùng T2 phụ để thay cho nút ấn H.I.10 Thyristor T ngắt cách mở T2 khoảng thời gian ngắn nhờ xung điện điều khiển nhỏ chảy qua nút ấn S2 dịng Anod cấp qua R có giá trị nhỏ dịng trì H.I.12 giới thiệu sơ đồ Thyristor nối theo mạch dao động dùng để điều khiển hai bóng đèn riêng biệt LP & LP2 Giả sử T1 mở T2 ngắt tụ C1 (loại khơng có cực tính) nạp với cực tính dương phía LP2 Khi ấn S2, mạch chuyển trạng thái, T2 mở tác dụng cực điều khiển T1 bị T2 khố lại tác dụng tụ C Đồng thời tụ nạp theo chiều ngược lại Khi tụ nạp đầy, trạng thái mạch thay đổi ta ấn nút S1 T2 ngắt nhờ tụ C1 Trạng thái dao đơäng lặp lặp lại GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 10