nguồn một chiều cho các thiết bị điện tử, chương 6 pot

1 Chương 6: PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N Một ứng dụng quan trọng khác là các mạch ch ỉ nh lưu có khống chế cấu tạo t ừ các dụng cụ như nhiều mặt ghép p-n. Các dụng cụ ch ỉ nh lưu có khống chế đều có c ấ u trúc dạng bốn lớp bán dẫn công nghệ p-n-p-n xếp liên tiếp nhau. 2.7.1. Nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tiristo a - Tiristo được chế tạo từ bốn lớp bán dẫn p 1 -n 1 -p 2 -n 2 đặt xen kẽ nhau (trên đế N 1 ++ + ++ điện trở cao, tạo ra 2 lớp P 1 và P 2 , sau đó tiếp N 2 ). Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các chuyển tiếp p-n lần lượt là J 1 , J 2 ,J 3 và lấy ra 3 cực là anôt (A), katôt (K) và cực khống chế G (h.2.156a). Để tiện cho việc phân tích nguyên lí làm việc của tiristo hãy tưởng tượng 4 l ớ p bán dẫn của tiristo có thể chia thành hai cấu trúc tranzito p 1 n 1 p 2 và n 1 p 2 n 2 như hình 2.156b với sự nối thông các miền N 1 và P 2 giữa chúng. Từ đó có thể vẽ được sơ đồ tương đương như hình 2.156c. Kí hiệu quy ước của tiristo cho trên hình 2.156d. Hình 2.156: Cấu trúc 4 lớp p-n của tiristo (a, b) ; Sơ đồ tương đương (c) và kí hiệu quy ước 2 của tiristo (d) b – Đặc tuyến Vôn-Ampe của tiristo có đang như hình 2.157 và chia thành 4 vùng rõ rệt. Trước tiên hãy xiết trường hợp phân cực ngược tiristo với U AK < 0. Đặc tính ở đoạn này có thể coi như của 2 điôt phân cực ngược mắc nối tiếp (J 1 và J 3 ). Dòng qua tiristo chính là dòng dò ngược của điôt (giống hệt như dòng ngược bão hòa của đ iô t ) . Nếu tăng điện áp ngược dần đến một giá tr ị nhất đ ị nh thì 2 chuyển tiếp J 1 và J 3 sẽ l ầ n lượt b ị đánh thủng theo cơ chế thác lũ và cơ chế Zener, dòng ngược qua tiristo t ă ng 3 lên đột ngột (dòng này do cơ chế đánh thũng J 3 quyết đ ị nh) . Nếu không có biện pháp ngăn chặn thì dòng ngược này sẽ làm hỏng tiristo. Vùng đặc tuyến ngược của tiristo trước khi b ị đánh thủng gọi là vùng chắn ng ượ c . Hình 2.157: Đặc tuyến von-ampe của tiristo Khi phân cực thuận tiristo (với U AK > 0), đầu tiên hãy xét trường hợp cực G h ở mạch (I G = 0), chuyển tiếp J 1 và J 3 lúc này được phân cực thuận còn J 2 phân c ự c ngược. Khi U AK còn nhỏ, dòng qua tiristo quyết đ ị nh chủ yếu bởi dòng ngược của J 2 . Xét chung cho cả tiristo thì dòng điện chảy qua tiristo lúc này là dòng dò thuận I fx . Giá tr ị điển hình của dòng dò ngược (I Rx ) và dò thuận (I fx ) khoảng 100µA. Nếu I G = 0 thì dòng dò thuận sẽ giữ nguyên giá tri ban đầu. Khi tăng U AK tới giá tr ị xấp x ỉ điện áp đánh thủng chuyển tiếp J 2 . Điện áp thuận ứng với giá tr ị này gọi là điện áp đánh t h ủ ng thuận U BE . Nói một cách khác, khi điện áp thuận tăng đến giá tr ị này, dòng I co trong 4 tiristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q 1 và Q 2 trong sơ đồ tương đương (h.2.156c) mở và l ậ p tức chuyển sang trạng thái bảo hòa. Tiristo chuyển sang trạng thái mở. Nội trở của nó đột ngột giảm đi, điện áp sụt lên 2 cực A và K cũng giảm xuống đến giá tr ị U E gọi là điện áp dẫn thuận. Phương pháp chuyển tiristo từ khóa sang mở bằng cách tăng d ầ n U AK gọi là kích mở bằng điện áp t hu ậ n . 5 Nếu I G khác 0, dòng I G do U GK cung cấp sẽ cùng với dòng ngược vốn có trong tiristo I co làm cho Q 2 có thể mở ngay điện áp U AK nhỏ hơn nhiều giá tr ị kích mở lúc I G =0 Dòng I G càng lớn thì U GK cần thiết tương ứng để một tiristo càng nhỏ. (Ở đ ây cũng cần nói thêm rằng cho dù ngay từ đầu điện áp U GK đã cung cấp một dòng I G l ớ n hơn dòng mở cực tiểu của Q 2 nhưng điện áp U AK vẫn chưa đủ lớn để phân cực t hu ậ n Q 1 và Q 2 thì tiristo cũng vẫn chưa m ở ) . Như trên hình 2.157 mức dòng khống chế I G tăng từ I G1 đến I G4 tương ứng v ớ i mức điện áp U AK giảm xuống từ U 1 tới U 4 . Đây là phương pháp kích mở tiristo b ằ ng dòng trên cực điều khiển. Điện áp dẫn thuận U F có thể viết U F = U BE1 + U BE2 = U BE2 + U CE1. Đối với vật liệu silic thì điện áp bão hòa của tranzito silic vào cỡ 0,2v còn U BE như đã biết vào cỡ 0,7v; như vậy suy ra U F = 0.9V. Trên phần đặc tuyến thuận, ph ầ n mà tiristo chưa mở gọi là miền chắn thuận, miền tiristo đã mở gọi là miền dẫn t hu ậ n (h.2.157). Quan sát miền chắn thuận và miền chắn ngược của tiristo thấy nó có d ạ ng giống như đặc tuyến ngược của điôt ch ỉ nh lưu thông t h ườ ng . Sau khi các điều kiện kích thích mở kết thúc, muốn duy trì tiristo luôn mở thì ph ả i đảm bảo cho dòng thuận I E lớn hơn một giá tr ị nhất đ ị nh gọi là dòng ghim I 4 (là giá t r ị cực tiểu của dòng thuận I E ). Nếu trong quá trình tiristo mở; I G vẫn được duy trì thì giá tr ị dòng ghim tương ứng sẽ giảm đi khi dòng l G tăng (h.2.157). Trong các sổ tay t huy ế t minh các nhà sản xuất còn kí hiệu I HC để ch ỉ dòng ghim khi cực G hở mạch và I HX đ ể ch ỉ dòng ghim đặc biệt khi giữa cực G và K được nối nhau bằng điện trở phân c ự c đặc bi ệ t. c - Hai cặp tham số quan trọng cần chú ý khi chọn các tiristo, tới là dòng điện và đ i ệ n áp cực đại mà tiristo có thể làm việc không b ị đánh thủng ngược và đánh thủng t hu ậ n đã trình bày ở trên. Điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho tiristo chưa mở theo chiều thuận chính là điện áp thuận, điện áp này thường , được kí hiệu là U OM ho ặ c U FxM đối với trường hợp G nối với điện trở phân cực. Với nghĩa tương tự, người ta đ ị nh nghĩa điện áp chắn ngược cực đại V RoM và V RxM dòng điện thuận cực đại. Công suất tổn hao cực đại F aM là công suất lớn nhất cho phép khi tiristo làm việc, điện áp cực khống chế U G là mức điện áp ngưỡng cần để mở tiristo khi U AK = 6v Những tham số vừa nêu trên đây thuờng được cho trong các sổ tay ở nhiệt độ 25 0 C. Với các tiristo làm việc ở chế độ xung tần số cao còn phải quan tâm đến t h ờ i gian đóng mở tiristo t m là thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở và t d là thời gian 6 chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng của tiristo. 2.7.2. Các mạch khống chế điển hình dùng tiristo a - Mạch ch ỉ nh lưu có khống chề kiểu pha xung Mạch khống chế xung đơn giản nhất được trình bày trên hình 2.158. Nếu cực G của tiristo trong mạch kể trên luôn được phân cực để cho tiristo thông thì vai trò c ủ a tiristo cũng giống như một van ch ỉ nh lưu thông thường. Khi đặt vào cực G một chu ỗ i xung kích thích làm tiristo ch ỉ mở tại những thời điểm nhất đ ị nh (cùng với chu kì dương của điện áp nguồn đặt vào anôt) thì dạng điện áp ra trên tải của tiristo không phải là toàn bộ các nửa chu kỳ dương như ở các mạch ch ỉ nh lưu thông thường mà tùy theo quan hệ pha giữa xung kích và điện áp nguồn, ch ỉ có từng phần của nửa chu kì dương như hình 2.158. Hình 2.158 : Mạch khống chế xung đơn gi ả n a) Sơ đồ nguyên lí; b) Dạng điện áp Để minh họa hoạt động hãy xét: Ví dụ: mạch ch ỉ nh lưu có khống chế có dạng như hình 2.158a với biên độ đ i ệ n áp xoay chiều đầu vào là 30V, điện trở tải là 15Ω, R 1 =1kΩ. Hãy xác đ ị nh loại tiristo cần thiết cho sơ đồ, tính dòng điện và điện áp mở tiristo đặt vào cực G xác đ ị nh đ i ệ n áp kích mở đặt vào anôt của tiristo. Giải: ĐỂ xác đ ị nh tiristo thích hợp cho mạch, trước hết cần lưu ý ở đây tiristo phải đảm bảo luôn đóng khi chưa có xung kích thích đặt vào cực G. Nghĩa là điện áp chắn thuận của nó (U FxM ) phải lớn hơn biên độ cực đại của điện áp nguồn (U FxM >30V); chọn tiristo có U FxM = 50V. Bây giờ xét tới điều kiện dòng tải cực đại (I p ). Ứng với điện áp vào cực đại, điện áp trên tải sẽ là: E − R U U K = e v - U AK do đó I = v AK p t khi tiristo mở, điện áp giữa cực anôt và katôt của tiristo U AK điển hình là 1V, do đó có thể tính : I p = (30V – 1V)/15 Ω = 1,93A Giá tr ị hiệu dụng cực đại cho phép của dòng thuận tiristo C6F là 1,6a. Như v ậ y dùng tiristo C6F trong trường hợp này là thích hợp. Để xác đ ị nh được điện áp và dòng cực G, cần sử dụng đặc tuyến Vôn-Ampe nguồn kích thích cực G ứng với từng độ xung của tiristo C6F căn cứ vào sổ tay tra cứu biết ứng với độ rộng xung 20µs thì U G = 0,5v và I G = 0,1A. Dòng kích mở cực G căn cứ vào sơ đồ nguyên lí b ằ ng I T = I G + I RL và I RL = U G /R 1 Do đ ó I T = I G + (U G /R 1 ) = 001mA + (0,5V/k Ω = 0,51mA. Vậy điện áp kích mở cực G là U G 0,5V dòng kích mở cực G là I T : 0,51mA. Nh ư trên đã biết tiristo sẽ đóng khi dòng tải I T nhỏ hơn dòng I H theo sổ tay tra cứu đối v ớ i C6F thì I H = lmA. Từ sơ đồ mạch khống chế biết e v = U AK + I H R 1 =1v + (1mA.15Ω) = 1,015V. Như vậy tiristo sẽ đóng khi e v hạ xuống nhỏ hơn 1,015V. b - Mạch khống chế pha 90 0 (h.2.159) Hình 2.159: Mạch khống chế pha 90 0 • Dòng kích mở cực G được lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R 1 Nếu R 1 đ ượ c điều ch ỉ nh đến giá tr ị điện trở nhỏ thì tiristo sẽ mở hầu như đồng thời với nửa chu kì dương đặt vào anôt. Nếu R 1 được điều ch ỉ nh đến một giá tr ị lớn thích hợp thì tiristo ch ỉ mở ở nửa chu kì dương lúc e v đến giá tr ị cực đại. Điều ch ỉ nh điện trở R 1 trong khoảng 2 giá tr ị này tiristo có thể mở với góc pha từ 0 – 90 0 . Nếu tại góc pha 90 0 mà I G không mở tiristo thì nó cũng không thể mở được bất cứ ở góc pha nào vì tại góc pha 90 0 dòng I G có cường độ lớn nhất. Điôt Đ 1 để bảo vệ tiristo khi nửa chu kì âm c ủ a nguồn điện đặt vào cực G. Từ hình 2.159 có thể thấy rằng trong khoảng thời gian tiristo mở, dòng I G ch ả y qua R 1 , D 1 và R t . Bởi vậy khi tiristo mở có thể vi ế t: e v = I G R 1 + U D1 + U G + I G R 1 ; IGR1 = ev - U D1 - I G R 1 - U G [...]... tụ điện C1 có điện thế âm so với katôt) Sau đó tụ C1 phóng điện qua điện trở R1 Tùy theo giá trị của R1 mà C1 có thể phóng hết (điện áp trên hai cực của tụ bằng 0), ngay khi bắt đấu nửa chu kì dương của nguồn đặt vào tiristo, hoặc có thể duy trì một điện áp âm nhất định trên cực của nó cho mãi tới góc pha 1800 của chu kì dương tiếp sau đặt vào tiristo Khi tụ C1 tích điện theo chiều âm thì D1 cũng bị. .. 900 thì điện trở R1 phải điều chỉnh từ 14kΩ đến 288kΩ c - Mạch khống chế pha 1800 Hình 2. 160 : Mạch khống chế pha 1800 Mạch khống chế pha 1800 điển hình trình bày trên hình 2. 160 Mạch này tương tự như mạch khống chế pha 900 đã biết ở hình 2.15e chỉ khác là thêm vào điôt Đ2 và tụ điện C1 Khoảng nửa chu kì âm của điện áp đặt vào, tụ C1 được nạp theo chiều âm như dạng điện áp trình bày trên hình 2. 160 : Quá... vào để kích mở cho tiristo Như vậy bằng cách điểu chỉnh R1 hoặc C1 hoặc cả hai có thể làm tiristo mở ở bất cứ góc nào trong khoảng từ 0 -1800 của nửa chu kì dương nguồn điện áp đặt vào tiristo Hình 2. 161 : Mạch khống chế pha với điôt chỉnh lưu Trên cơ sộ sơ đồ nguyên lí đơn giản hình 2. 160 có thể thay đổi đôi chút về kết cấu mạch để được dạng điện áp ra trên tải theo ý mong muốn (h.2. 161 ) Điôt D3 được... tải theo ý mong muốn (h.2. 161 ) Điôt D3 được mắc thêm vào làm cho trên tải xuất hiện cả nửa chu kì âm của điện áp nguồn cung cấp sự khống chế chỉ thực hiện đối với nửa chu kỳ dương của nguồn Hình 2 162 : Mạch khống chế đảo mắc song song Trên hình 2. 162 trình bày sơ đồ hai bộ chỉnh lưu có khống chế dòng tiristo mắc song song ngược chiều Bằng cách mắc mạch như vậy có thể thực hiện khống chế được cả nửa... nguyên lí của mạch khống phế pha như hình 2-159, điện áp nguồn xoay chiều có biên độ là 30V, điện trở tải 15Ω Xác định khoảng điều chỉnh của R1 để có thể mở tiristo tại bất kì góc nào trong khoảng 5-900 Biết rằng dòng mở cực G là 100µA, và điện áp cực G là 0,5V Giải : tại 50 thì ev = 30sin50 = 30 0,0872 = 2,6V áp dụng biểu thức (2-370) tính được : Rt = (2,6v - 0,7v - 0,5v - 100µA 15)/1OOµA R1= R1min =... khống chế dòng tiristo mắc song song ngược chiều Bằng cách mắc mạch như vậy có thể thực hiện khống chế được cả nửa chu kì dương lẫn chu kì âm Trên đây mới chỉ nêu những ví đụ đơn giản ứng dụng tiristo các mạch chỉnh lưu có khống chế . 1 Chương 6: PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N Một ứng dụng quan trọng khác là các mạch ch ỉ nh lưu có khống chế cấu tạo t ừ các dụng cụ như nhiều mặt ghép p-n. Các dụng cụ ch ỉ nh lưu. U AK tới giá tr ị xấp x ỉ điện áp đánh thủng chuyển tiếp J 2 . Điện áp thuận ứng với giá tr ị này gọi là điện áp đánh t h ủ ng thuận U BE . Nói một cách khác, khi điện áp thuận tăng đến giá tr ị này,. hình 2.158a với biên độ đ i ệ n áp xoay chiều đầu vào là 30V, điện trở tải là 15Ω, R 1 =1kΩ. Hãy xác đ ị nh loại tiristo cần thiết cho sơ đồ, tính dòng điện và điện áp mở tiristo đặt vào cực G xác đ ị nh đ i ệ n