Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 11 Lớp phát E có cờng độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc B có nồng độ tạp chất nhỏ nhất. Để phân biệt với các loại tranzito khác, tranzito PNP và NPN còn gọi là tranzito lỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito). 1.2.1 Nguyên tắc hoạt động Trong điện tử công suất ngời ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN. tranzito công suất đợc dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cờng độ tơng đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở. Để tranzito làm việc ngời ta phải đa điện áp một chiều tới các cực B của tranzito gọi là phân cực cho tranzito. a) b) Hình 1.10: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ. Do J E phân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua J E tạo nên dòng emitơ (I E ). Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hớng tới J C . Trên đờng khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I B ). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần nh toàn bộ các hạt khuếch tán tới đợc bờ của J C và bị trờng gia tốc (do J C phân cực ngợc) cuốn qua tới đợc miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (I C ). Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng điện trong tranzito: I E = I B + I C (1-3) Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ngời ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của tranzito. Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 12 = C E I I (1- 4) Hệ số xác định chất lợng của tranzito và có giá trị càng gần một với các tranzito loại tốt. Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I B tới dòng colectơ (I C ), ngời ta định nghĩa về hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito. = C B I I (1- 5) thờng có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số: I E = I B (1+) (1- 6) và = 1 + (1- 7) u điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng I B là có thể điều khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng. 1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito Gọi I C là dòng colectơ chịu đợc điện áp bão hoà V CEsat khi tranzito dẫn dòng bão hoà I B = I Bbh và khi khoá I B = 0; V CEsat =V CE . + Mạch trợ giúp tranzito mở Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở. Mạch trợ giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R 2 ), điôt(D 2 ) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 13 Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở t f : thời gian cần thiết để I C từ giá trị max giảm xuống 0 Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho nên dòng tải = const. Sơ kiện: V CE = 0 I C = I I D = 0 (1- 8) Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng I C giảm xuống không trong khoảng thời gian t f . Nếu không có mạch trợ giúp ta có: I = I C + I D = const (1-9) Khi giảm I C thì I D Tăng lên ngang D 1 sẽ làm ngắn mạch tải năng lợng tiêu tán bên trong tranzito sẽ là: 2 f T UIt W = (1-10) Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho trazito. I= I C I D = const Khi I C bắt đầu giảm thì I 1 cũng bắt đầu tăng(I C và I 1 phi tuyến với nhau, lúc này tụ điện C đợc nạp điện) Vc C t dII dC = (1-11) Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 14 Khi t = t f ; I c = 0 V c (t f )= V 0 = V CE << V CC Vc t dI dC = (1-12) Sau thời gian t f tụ C đợc nạp bằng dòng I, cho đến khi V c = V CE lúc này D 1 cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng thái mở là t c . Điện dung đợc tính gần đúng bằng công thức: 1 CE F dv U I IC C dt t == F It C U = (1- 13) Trong thực tế ngời ta chọn C trong khoảng. 2t f t F 5t f + Mạch trợ giúp đóng tranzito Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D 3 ), điện trở (R 3 ) có chức L Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 15 năng hạn chế sự tăng vọt của dòng I C trong khoảng thời gian đóng T on của tranzito. T on : là thời gian cần thiết để V CE giảm từ điện áp nguồn V CC xuống V CE 0. Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là t f . điện cảm L đợc tính theo công thức: di i I UR LUL L L dt t R I == = = (1- 14) Để chọn L ta chọn thời gian đóng t r trong khoảng: 2t on < t r < 5t on Điện trở R 4 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D 5 ; R 4 trong khoảng thời gian t c chuyển sang trạng thái mở của tranzito. Nh vậy t c phải thoả mãn điều kiện. 4 c i t R > (1-15) Điện trở R 5 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch với khoảng thời gian đóng t f . Ta có D 6 : Tạo mạch đối với xung áp dơng đặt vào cực gốc bazơ D 5 : hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ) D 4 : Dùng để chống bão hoà 1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất + Mạch khuếch đại Hình: 1.13: Tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại - Trong thực tế tranzito thờng đợc làm việc ở chế độ khoá - Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực ghóp bằng không, Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 16 tranzito lúc này hở mạch hoàn toàn. - Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hoà thì tranzito trở về trạng thái dẫn hoàn toàn. 1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito - Độ khuếch đại dòng điện có trị số thay đổi theo dòng I C . Khi dòng I C nhỏ thì thấp, dòng I C tăng thì tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng I C đến mức bão hoà thì giảm. = C B I I (1-16) - Dòng điện giới hạn Dòng điện qua tranzito phải đợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị số thì tranzito sẽ bị h. I Cmax : là dòng điện tối đa ở cực colectơ I Bmax : là dòng điện tối đa ở cực bazơ - Điện thế giới hạn Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngợc tối đa đặt vào giữa các cặp cực. - Tần số cắt Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào. Bảng 1.2 Giới thiệu một số loại tranzito B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46 17 V CE V CE0 V CE,sat I C I t f t on t s P m M· hiÖu V V V A A μs μs μs W BUV, (BUX)20 21 22 23 24 BUT 90 91 BUX 47 47A 48 48A 98 98C ESM 3000 3001 3002 3004 3005 3006 3007 160 250 300 400 450 200 300 850 1000 850 850 850 1200 200 200 250 600 600 1000 1000 125 200 250 325 400 125 200 400 450 400 400 400 700 100 150 200 400 500 600 700 1,2 1,5 1,5 1 1 1,2 1,2 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 50 40 40 30 20 50 50 9 9 15 15 30 30 150 150 140 120 120 50 50 5 3 2,5 3,2 2,4 7 4 1,2 1 2 2 4 3 15 15 28 13 10 7 6 0,3 0,12 0,5 1,2 1,4 0,4 0,3 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,5 0,5 0,7 1 1 1,5 1,5 1,5 1,8 1,3 1,3 1,6 1,2 1 1 1 1 1 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,2 1,2 2 2,5 3 1,5 1,5 3 3 3 3 3 3 1,8 1,8 2 3,5 3,5 5 5 250 (50) 50 50 50 50 250 250 125 125 175 175 250 250 400 400 400 400 400 300 300 1.3 Thyristor 1.3.1 CÊu t¹o Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 18 Thyristor còn đợc gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện đợc điều khiển bằng chất silicum. Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A dơng cực, Catode ký hiệu là K âm cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa. J 1 , J 2 , J 3 là các mặt ghép. Hình 1.14: Thyristor a- Sơ đồ cấu trúc bên trong b- Ký hiệu c- Các loại thyristor 1.3.2 Nguyên lý làm việc Tùy theo cách nối của A và K của thyristor với nguồn điện một chiều mà thyristor có thể đợc phân áp ngợc hay phân áp thuận. Khi phân áp ngợc (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dơng nguồn) nh hình1.15 thì lớp phân cực J 2 phân cực thuận (điện trở rất nhỏ) nhng các lớp tiếp xúc J 1 và J 3 lại phân cực ngợc (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ K sang A. Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chảy qua và không sáng. Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ vài mA. Đặc tính V- A khi phân áp ngợc là nhánh thuộc góc phần t thứ III. c b a c Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 19 Khi điện áp ngợc tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (U ct ) thì thyristor bị chọc thủng giống nh trờng hợp của điôt và kết quả là dòng điện ngợc tăng lên rất nhanh và mạnh. Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dơng nguồn, catôt nối với cực âm nguồn) nh hình 1.15 thì các lớp J 1 và J 3 đợc phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nhng lớp J 2 lại bị phân cực ngợc, có điện trỏ rất lớn. Do vậy, trờng hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J 2 (thuộc góc phần t thứ I). Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngợc và thuận của một thyristor Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận, còn thyristor có phân áp thuận cũng cha dẫn điện. Muốn cho thyristor thông khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện. Điều kiện gì? Đó là phải cấp một xung áp dơng vào cực điều khiển G khi thyristor đợc phân áp thuận. Xung dơng điều khiển có thể đợc tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở Hình 1.16 Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 20 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor Khi đó, lớp tiếp xúc J 3 đợc phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn E g nên dòng điện qua lớp J 3 tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N 2 chuyển dịch sang P 2 với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng điều khiển I g , phần khác lớn hơn, vợt qua lớp J 2 vào N 1 rồi qua P 1 về nguồn tạo ra dòng I a . Khi các điện tử lớp J 2 với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác. Số điện tử mới lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung hòa khác cứ nh thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số các phần tử dẫn điện tăng vọt, điện trở trong cùng điện trờng rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt. Điểm làm việc chuyển từ T 1 sang T 2 rồi T hình 1.17. Thyristor ở trạng thái thông. Trị số dòng điện I a phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình: 1.16 dòng I a phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn). Khi thyristor thông điện trở trong R 13 của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp U 13 không đáng kể (không quá 1V). Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông. Nguyên do vì dòng I a qua lớp J 2 sẽ tiếp tục làm điện trở lớp J 2 giảm thấp và duy trì sự dẫn điện. Qua lớp này từ N 1 sang P 2 . Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT 1 trở thành OT 1 , OT 1 Thì cần phải tăng dòng điều khiển lớn hơn I đk1 > I đk1 > I đk1 . Khi dòng điều khiển tăng tới . nguồn điện một chiều mà thyristor có thể đợc phân áp ngợc hay phân áp thuận. Khi phân áp ngợc (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dơng nguồn) nh hình1.15 thì lớp phân cực J 2 phân. Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận, còn thyristor có phân áp thuận cũng cha dẫn điện. Muốn cho thyristor thông khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện. Điều. ra dòng I a . Khi các điện tử lớp J 2 với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác. Số điện tử mới lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung