Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 5 Họ Linh Kiện Bán Dẫn 4 Lớp

Linh kiện thứ hai là triac, đây là linh kiện dẫn điện hai chiều, các đặc tính và tham số của triac, đây là linh kiện quan trọng được dùng nhiều trong các mạch điều khiển nguồn điện.. Tươ

CHƯƠNG 5

HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN 4 LỚP

GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương 5 giới thiệu về các linh kiện cĩ 4 lớp bán dẫn Đây là các linh

kiện thuộc họ thyristor Thyristor là linh kiện bán dẫn khĩa mở mạch mà tác động ở 2 trạng thái bền (khĩa và mở) của nĩ tùy thuộc vào tính hồi tiếp dương của 4 lớp bán dẫn P-N-P-N

Thyristor cĩ thể là linh kiện 2 chân cực, 3 chân cực hoặc 4 chân cực, cĩ thể dẫn điện một chiều hoặc cả hai chiều Trong họ thyristor quan trọng nhất

là chỉnh lưu Silic cĩ điều khiển (SCR), Triac, Diac, v.v Phần đầu tiên của

chương sẽ giới thiệu về cấu tạo v à nguyên lý hoạt động của linh kiện chỉnh lưu silic cĩ điều khiển (SCR), về các đặc tính v à tham số của nĩ Linh kiện

thứ hai là triac, đây là linh kiện dẫn điện hai chiều, các đặc tính và tham số của triac, đây là linh kiện quan trọng được dùng nhiều trong các mạch điều khiển nguồn điện

Ngồi ra, trong chương 6 cịn giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tranzito đơn nối (UJT) Đây là cấu kiện cĩ 3 chân cực nhưng chỉ cĩ 1 lớp tiếp xúc P-N và

do vậy nĩ cũng cĩ các đặc tính và tham số rất khác với các tranzito thơng thường

5.1 Thyristor (SCR):

5.1.1 Cấu tạo:

Thyristor còn được gọi là diode chỉnh lưu có điều khiển SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn được ghép liên tiếp nhau theo thứ tự P-N-P-N Lớp bán dẫn P ngoài cùng đóng vai trò Anode, lớp bán dẫn N ngoài cùng đóng vai trò Cathode còn hai lớp bán dẫn ở giữa làm nhiệm vụ cực điều khiển Gate

Nếu cực điều khiển gate ở cạnh Cathode thì SCR gọi là SCR loại P, ngược lại nếu cực Gate ở cạnh Anode thì ta có SCR loại N

Bốn lớp bán dẫn P, N sẽ tạo thành ba tiếp giáp J1, J2 và J3

Hình 5.1: Cấu tạo và ký hiệu của SCR 5.1.2 Nguyên lý hoạt động:

Khi ta cấp một điện áp thuận VAK vào SCR (cực dương ở chân A của SCR), lúc này tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn tiếp giáp J2 được phân cực nghịch Lúc này, dòng điện thuận IA qua SCR là dòng điện rỉ có trị số rất bé (vài uA) và SCR ở trạng thái tắt

Khi ta tăng điện áp thuận VAK đến một giá trị nào đó (gọi là điện áp đánh thủng

VBO) thì hiệu ứng đánh thủng sẽ xảy ra tại tiếp giáp J2, dòng điện thuận IA qua SCR (theo chiều từ A đến K) có giá trị rất lớn Lúc này SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn và tự duy trì ở trạng thái này

Tương tự như trên, khi có một xung dòng điện IG được đưa đến cực cổng G thì lúc này SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn với một điện áp thuận VAK thấp hơn điện áp VBO rất nhiều Đây chính là nguyên lý hoạt động của SCR

Để đơn giản cho việc khảo sát, ta có thể dùng mô hình mạch tương đương của SCR gồm hai transistor BJT mắc với nhau như trên hình vẽ

Hình 5.2: Sơ đồ mạch tương đương của SCR

Từ sơ đồ mạch điện tương đương ta có:

IC1 =1 IE1 + ICB01

= 1 IA + ICB01

IC2 =2 IE1 + ICB02

= 2 IK + ICB02 Chú ý:

IE1= IA

= IC1 + IB1

= IC1 + IC2

IE2 = IK

Ta có:

IA = IC1 + IC2

IA =1 IA + ICB01 +2 IK + ICB02 (1) Mặt khác:

IK = IA + IG Thay vào phương trình (1), ta được:

I A =  2 I 1 – ( G + I CB01 + I CB02

1 +  2 )

Từ biểu thức trên, ta nhận thấy:

Khi1 +2 << 1thì dòng IA chủ yếu là dòng điện rò rất nhỏ nên SCR tắt

Khi1 và2 tăng dẫn đến (1 + 2)  1, lúc này dòng IAtăng rất cao tương ứng SCR chuyển từ trạng thái tắt sang dẫn Khi SCR dẫn, hồi tiếp dương tạo bởi vùng kín

IB2 = IC1 và IB1 = IC2 sẽ duy trì làm cho SCR luôn luôn dẫncho đến khi có tác động làm cho SCR tắt

5.1.3 Các Thông Số Kỹ Thuật Của SCR:

a Dòng điện thuận cực đại I A max hay I F max :

Đây là trị số lớn nhất của dòng điện qua SCR mà SCR có thể chịu đựng liên tục, nếu quá trị số này thì SCR sẽ bị hư

b Điện thế ngược cực đại V BK :

Là điện thế ngược lớn nhất có thể đặt vào giữa chân A và chân K mà SCR chưa

bị đánh thủng Nếu vượt quá trị số này thì SCR sẽ bị đánh thủng và bị hư

Điện thế ngược cực đại của SCR thường từ 100V  1000V

c Dòng điện kích cực tiểu I G min :

Trong trường hợp điện thế VAK thấp, muốn SCR dẫn thì phải có dòng kích cho cực G của SCR IGmin là trị số dòng kích nhỏ nhất để điều khiển SCR dẫn điện

Thông thường IGmin có trị số từ 1mA  vài chục mA

IGmin có trị số lớn hay nhỏ là tùy thuộc vào công suất của SCR, SCR có công suất lớn thì IGminphải càng lớn

d Thời gian mở SCR:

Là thời gian cần thiết hay là độ rộng của xung kích để SCR có thể chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn Thời gian kở SCR khoảng vài us

e Thời gian tắt SCR:

Theo nguyên lý, SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích Muốn SCR đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái tắt thì phải cho điện thế VAK= 0V Để SCR có thể tắt được thì thời gian cho VAK = 0V phải đủ dài, nếu không khi V

-AKtăng cao lại ngay thì SCR sẽ dẫn điện trở lại

Thời gian tắt của SCR khoảng vài chục us

5.1.4 Hình Dạng Và Cách Xác Định Chân Của SCR:

a Hình dạng:

Hình 5.3: Hình dạng thực tế và ký hiệu của SCR

b Cách xác định chân:

Muốn xác định các chân A,K và G của SCR ta cần sử dụng VOM ở giai đo Ohm x1 rồi thực hiện theo các bước sau:

Lần lượt gọi ba chân của SCR là X, Y, Z

Đo điện trở từng cặp chân XY, XZ và YZ

Chỉ có một cặp chân của SCR làm kim VOM thay đổi, giả sử là cặp chân XY Như vậy chân Z chính là chân A

Chú ý: khi thay đổi cực tính que đo sẽ làm thay đổi giá trị điện trở giữa các chân

X và Y

Nếu que đen của VOM (cực dương của pin) đặt vào X mà làm cho điện trở giữa

X và Y có giá trị nhỏ hơn khi nó đặt vào Y thì chân X là chân G

Chân còn lại Y chính là chân K

c Ảnh hưởng của dòng điều khiển I G đến sự làm việc của SCR:

Dòng điều khiển IG có tác dụng làm giảm điện áp mở SCR, IG mà càng lớn thì điện áp mở SCR càng giảm nhỏ Như vậy IG thay đổi sẽ có tác dụng điều chỉnh điện áp mở SCR và chính vì thế mà SCR còn được gọi là diode bán dẫn có điều khiển Sau khi kích cho SCR hoạt động và dẫn điện rồi thì dòng kích IG hết tác dụng, nghĩa là dù lúc này nếu ta có ngắt bỏ dòng kích IG thì SCR vẫn hoạt động

Như vậy SCR có thể mở bằng cổng nhưng không thể tắt bằng cổng Đây chính là nhược điểm của SCR so với transistor

Kết luận: SCR chỉ dẫn điện theo một chiều từ Anode sang Kathode khi có một điện áp thuận Vak với dòng kích IG SCR không dẩn điện theo chiều ngược lại từ K sang A

5.1.5 Các Biện Pháp Mở SCR Và Khóa SCR Trong Mạch Điện Một Chiều:

a Các biện pháp mở SCR:

Hình 5.4: Phương pháp kích dẫn cho SCR

Một trong những biện pháp đơn giản nhất được biểu diển trên hình a Mỗi khi nhấn vào nút bấm K, nếu Iđk > Iđk sổ tay (Iđkst) thì SCR sẽ mở cho dòng điện qua

Thường chọn Iđk = (1,1 ÷ 1,2) Iđkst

Trong đó Iđkst là dòng điện điều khiển tra được trong sổ tay

R2 được mắc nối liền cực điều khiển với Kathode cho phép tăng điện áp thuận

UAK của SCR, ta thường chọn R2 = 100 ÷ 1000

Hình b trình bày cách mở SCR bằng một xung áp

Diode chặn không cho xung âm đặt vào cực điều khiển G khi tụ C phóng điện

(thường chọn C = 0,01  0,05uF)

Điện trở R được sử dụng để hạn chế biên độ dòng xung, giá trị của R được xác định:

R  Iđkxmax Ux

Trong đó :

- Ux: Là biên độ xung đặt vào chân điều khiển

- Iđkxmax: Giá trị cực đại của dòng xung cho trong sổ tay tra cứu

b Các biện pháp khóa SCR:

Trong mạch điện một chiều, khi SCR đã dẫn thì nó sẽ tiếp tục dẫn mặc dù ta đã bỏ dòng kích IG

Khóa SCR nghĩa là trả nó trở về trạng thái ngưng dẫn, ta có thể dùng một trong hai phương pháp sau:

- Giảm dòng điện thuận IAK hoặc cắt nguồn cung cấp VAK

- Đặt một điện áp ngược lên SCR

Hình 5.5: Phương pháp khóa làm SCR ngưng dẫn.

5.1.6 Mở Và Khóa SCR Trong Mạch Điện Xoay Chiều:

Hình 5.6: Mạch điện SCR trong nguồn điện xoay chiều.

Trên hình a, SCR sẽ mở trong ½ bán kỳ dương của điện áp nguồn khi thỏa mãn điều kiện:

Iđk = R1 + R2  Iđkst Ut

Điện trở R1 được tính theo công thức:

R1 = (1.1  1.2) Iđkst 0.05Um – Uđkst

Khi biến trở R2 = 0 thì ta có góc mở  = 50, khi tăng biến trở R2 thì góc mở tăng lên

Khi R1 = 0 và biến trở R2 được chỉnh đến một giá trị nhỏ nhất thì dòng kích IG là lớn nhất và lúc này SCR sẽ mở ở ½ chu kỳ dương của điện áp nguồn

Như vậy, khi ta điều chỉnh biến trở R2 thì góc mở sẽ có giá trị trong khoảng từ

 = 50 900

Muốn điều khiển góc mở = 50 1800 thì ta phải sử dụng mạch điện hình b Mạch điện hình b sử dụng mạch RC để tạo ra góc lệch pha giữa điện áp điều khiển và điện áp Anode

Trong nửa chu kỳ âm của điện áp Anode, tụ C được nạp điện qua D2 đến điện áp

–Um

Trong nửa chu kỳ dương, được nạp điện qua R1, R2 và từ điện áp –Um sẽ đến một giá trị điện áp dương đủ mở SCR, góc mở  phụ thuộc vào hằng số thời gian (R1 + R2).C và với độ tăng của điện áp Anode

Đối với SCR làm việc trong mạch điện xoay chiều thì không phải sử dụng biện pháp khóa, vì SCR sẽ tự động khóa ở đầu nửa chu kỳ âm của điện áp Anode

Hình 5.7: Dạng sóng dòng điện và điện áp.

5.1.7 Ứng Dụng Của SCR:

a Mạch điều khiển tốc độ động cơ:

Trong mạch điện trên hình vẽ thì động cơ M là động cơ vạn năng – loại động cơ có thể dùng điện AC hay DC

Hình 5.8: Mạch điều khiển tốc độ động cơ AC dùng SCR.

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 SCR chưa dẫn thì chưa có dòng điện qua động cơ, điôt 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 = C.(R1 + VR)

Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ C tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ bị thay đổi

Khi dòng AC có bán kỳ âm thì điôt D và SCR đều bị phân cực nghịch nên điôt D ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạng thái ngưng

Hình 5.9: Dạng sóng dòng điện và điện áp.

b Mạch báo động:

Nếu SCR dùng với nguồn một chiều thì có thể ứng dụng trong các mạch báo động quá nhiệt, quá áp suất và báo trộm khi kẽ trộm mở cửa nhà hay cửa tủ

Theo mạch điện trên hình vẽ, nút P là nút ấn bằng tay để ấn khi khẩn cấp Công tắc K là công tắc tự động dùng để báo quá áp suất và S là công tắc tí hon được đặt ở góc cửa nhà hay góc cửa tủ

Khi một trong các tiếp điểm trên đóng lại thì SCR sẽ được kích dẫn điện và duy trì trạng thái dẫn để cấp điện cho đèn báo hiệu và còi hú để báo động

Hình 5.10: Mạch báo động chuông dùng SCR.

5.2 TRIAC.

Triac được xem là một công tắc bán dẫn xoay chiều ba cực

5.2.1 Cấu tạo:

Về cấu tạo Triac gồm các lớp bán dẫn P-N ghép nối tiếp nhau như trên hình vẽ và được nối ra ba chân: Chân đầu và chân cuối gọi là T1 – T2 và một chân điều khiển G

Triac có cấu tạo, ký hiệu như trên hình vẽ và cũng được coi như hai SCR ghép song song, ngược chiều

Hình 5.11: Cấu tạo và ký hiệu của Triac.

5.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Theo cấu tạo một Triac được xem như hai SCR ghép song song , ngược chiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta tiến hành khảo sát như thí nghiệm trên hai SCR

a Khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1

Hình 5.12: Nguyên lý hoạt động của triac, chiều dòng điện từ T2  T1.

b Khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thì Triac dẫn điện theo chiều từ T1 qua T2

Hình 5.13: Nguyên lý hoạt động của triac, chiều dòng điện từ T1  T2.

c Trường hợp Triac được dùng trong mạch điện xoay chiều công nghiệp thì khi nguồn có bán kỳ dương, cực G cần được kích xung dương, còn khi nguồn có bán kỳ âm thì cực G cần được kích xung âm Triac cho dòng điện qua cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp trên hai cực T1- T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong mạch điện xoay chiều

Hình 5.14: Nguyên lý hoạt động của triac trong nguồn điện xoay chiều 5.2.3 Đặc tính của triac:

Triac có đặc tính Vôn – Ampe gồm hai điểm đối xứng nhau qua điểm 0 Hai phần này giống như đặc tuyến của SCR mắc ngược chiều nhau

Hình 5.15: Đồ thị đường đặc tính Vôn – Ampe của Triac.

5.2.4 Các cách kích triac:

Theo phần nguyên lý của Triac thì Triac cần được kích xung dương khi chân T2 có điện áp dương và cần được kích xung âm khi chân T2 có điện áp âm

Thực ra, Triac có thể được kích bằng bốn cách như trên hình vẽ Trong đó cách thứ nhất, cách thứ hai được coi là cách kích thuận vì theo đúng nguyên lý và chỉ cần dòng kích có trị số nhỏ hơn so với cách thứ ba và cách thứ tư

Hình 5.15: Các phương pháp kích dẫn cho Triac.

5.2.5 Xác định chân triac:

Dùng VOM giai đo ohm x1 xác định các chân T1, T2 và G

Tiến hành theo các bước sau:

- Gọi các chân triac làX, Y và Z

- Đo điện trở từng cặp chân của Triac

- Chỉ có một cặp chân của Triac có điện trở xác định (chú ý giá trị điện trở này không đổi khi thay đổi cực tính que đo) Giả sử đó là cặp chân X - Y

Kết luận chân Z còn lại là chân T2

- Đặt que đen của VOM (cực + của pin) vào chân T2, que đỏ vào 1 trong 2 chân còn lại (giả sử là chân X) kích xung dương vào chân Y

- Nếu kim VOM giảm về bên phải rồi đứng im thì chân X là chân G và Y là chân T1

- Nếu chân VOM giảm về bên phải nhưng không đứng im mà hơi trả ngược lại thì chân X là T1 và Y là chân G

(Ta kích xung dương bằng cách chạm nhẹ que đen vào chân muốn kích)

5.3 DIAC

Tương tự như Triac, diac cũng là một linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện đi qua cả hai chiều Diac còn được gọi là công tắc bán dẫn xoay chiều hai cực

5.3.1 Cấu tạo của Diac:

Diac có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp nhau như một transistor nhưng chỉ đưa ra có hai cực nên được xem như một Transistor không có cực nền Hai cực ở hai đầu được gọi là T1 và T2, do tính chất đối xứng của Diac nên không cần phân biệt T1 và T2

Trên hình vẽ cho thấy cấu tạo và ký hiệu của Diac

Hình 5.16: Cấu tạo và ký hiệu của Diac.

5.3.2 Nguyên lý hoạt động của Diac:

Xét mạch thí nghiệm như trên hình vẽ Vcc là nguồn điện áp một chiều điều chỉnh được Khi Vcc có trị số thấp thì dòng điện qua Diac là dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ, khi tăng điện áp Vcc lên một trị số đủ lớn thì lúc này điện áp trên Diac bị giảm xuống và dòng điện qua Diac sẽ tăng lên rất nhanh Điện áp này gọi là điện áp mở

Vmở và dòng điện qua Diac gọi là dòng điện mở Imở

Hình 5.17: Nguyên lý hoạt động của Diac.

Điện áp mở có trị số trong khoảng từ 20V  40V, dòng điện mở có trị số trong khoảng từ vài chục uA đến vài trăm uA

Hình vẽ cho thấy đặc tính của Diac và đặc tính này hơi giống đặc tính của hai điôt Zener được ghép nối tiếp nhưng ngược chiều nhau

Hình 5.18: Đồ thị đường đặc tính Vôn – Ampe của Diac.

Khi có điện áp đặt vào hai chân T1 – T2 của Diac (hay đặt vào hai điôt Zener Z1–Z2) thì sẽ phân cực thuận một điôt Zener cho ra điện áp Vd = 0,7V và phân cực ngược một điôt Zener tạo ra hiệu ứng Zener cho ra điện áp Vz

Như vậy điện áp mở của Diac (hay Z1 – Z2) chính là:

Vmở = Vd + Vz Khi đổi chiều dòng điện ngược lại thì vẫn có một điôt Zener phân cực thuận và một điôt Zener phân cực nghịch nên ta cũng có điện áp mở Vmở được tính theo công thức trên