Cơ sở lí thuyết và ứng dụng của tiristor

Lời cảm ơn Chúng tôi xin gửi tới anh Nguyễn Thành Dơng, kỹ thuật viên phòng thí nghiệm khoa vật lý, ngời đã nhiệt tình giúp đỡ cộng tác để chúng tôi hoàn thành luận văn này. Với lòng biết ơn sâu sắc, chúng tôi xin gửi tới GVC. Thầy giáo Dơng Kháng, ngời đã nhận lãnh trách nhiệm hớng dẫn chúng tôi và đóng vai trò to lớn trong quá trình hoàn thành luận văn. Nhân đây chúng tôi cũng xin đợc gửi lời cảm ơn tới BCN khoa Vật lý, các thầy cô giáo, các bạn bè và đặc biệt là gia đình đã ủng hộ về mọi mặt để chúng tôi hoàn thành luận văn. Tác giả Ngũ Văn Dũng Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý Mở đầu I.Lý do chọn đề tài Lịch sử của ngành công nghiệp điện tử đợc đánh dấu bằng những sự kiện quan trọng nh sự ra đời của Thyratron (1908), do John Flenming, kỹ s ngời Anh sáng chế, sự ra đời của Tranzito (1948) do hai nhà Vật lý ngời Mỹ là Jonh Bardan và W.H Brattin sáng chế, và đến năm 1956 nhóm kỹ s của hãng Bell - telephone cho ra đời sản phẩm Thyritor đầu tiên. Kể từ đó đến nay, ngành công nghiệp điện tử của thế giới đã không ngừng phát triển, ngời ta đã chế tạo đợc những thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn nh diôt, Tiristor,Triac, Tranzitor chịu đợc điện áp cao và dòng điện lớn; và cả những thiết bị bán dẫn cực nhỏ nh vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị công suất nói trên. Ngày nay, không riêng gì ở các nớc phát triển, ngay cả ở nớc ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào hầu hết các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy nh: thuỷ điện, xi măng, giấy, đờng, dệt, sợi đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử, đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này. Tiristor là một loại thiết bị bán dẫn công suất điều khiển và gần đây đang đợc sử dụng rộng rãi trong trong kỹ thuật điện. Thiết bị chỉnh lu, dùng trong công nghiệp luyện kim màu, công nghiệp hoá học truyền động, điện một chiều, công nghệ hàn các dạng truyền tải điện năng . Thiết bị nghịch lu và biến tần dùng trong truyền động điện xoay chiều, đổi tần số cao, gia nhiệt tần số cao, thiết bị vận chuyển, giao thông, công nghiệp ô tô, mô tô Tiristor công suất nhỏ kết hợp với tranzito và vi mạch đợc sử dụng trong các thiết bị đo lờng, điều khiển và thiết bị dùng trong sinh hoạt hàng ngày. Ta có thể kể ra rất nhiều những ứng dụng của Tiristor nữa để thấy rằng, ngày nay Tiristor và các thiết bị biến đổi dùng Tiristor đã thâm nhập vào nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau. Đó cũng chính là lý do vì sao chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của Tiristor 2 Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý II. Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở lý thuyết về quá trình điện tử xảy ra trong linh kiện bán dẫn Tiristor, chỉnh lu dùng Tiristor. Nguyên tắc hoạt động của các sơ đồ điều khiển dùng Tiristor và tiến tới thiết kế lắp đặt một sơ đồ ứng dụng các kết quả nghiên cứu đó. III. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về chỉnh lu bán dẫn, chỉnh lu có điều khiển. - Nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của các sơ đồ điều khiển dùng Tiristor. - Đề xuất, thiết kế, lắp đặt một sơ đồ điều khiển dùng Tiristor. - Kiểm chứng lại sự hoạt động của sơ đồ trong thực tế. IV. Phơng pháp nghiên cứu. a. Về lý thuyết - Tìm hiểu tham khảo các tài liệu điện tử viết về chỉnh lu điều khiển, chỉnh lu bán dẫn - Nghiên cứu các tài liệu về ứng dụng của Tiristor. - Nghiên cứu phơng pháp và kỹ thuật thiết kế các mạch điện b. Về thực nghiệm - Thiết kế và lắp ráp sơ đồ điều khiển dùng Tiristor, kiểm chứng sự hoạt động của sơ đồ trong thực tế bằng cách áp dụng bộ điều khiển đó để điều chỉnh điện áp ra của máy phát điện một pha. CấU TRúC CủA LUậN VĂN Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, có 4 chơng gồm: 42 trang và 29 hình vẽ, 1 bảng biểu. Phần mở đầu Chơng 1: Chỉnh lu bán dẫn Chơng 2: Tiristor và chỉnh lu có điều khiển Chơng 3: Những ứng dụng của Tiristor. Chơng 4: ứng dụng chỉnh lu có điều khiển để điều chỉnh điện áp máy phát một pha. Phần kết luận 3 Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý Chơng I chỉnh lu bán dẫn I. 1. Khái niệm Điốt bán dẫn là một linh kiệnđợc tạo thành ở miền tiếp xúc tinh thể bán dẫn loại N và loại P. I.2.Nguyên lý. Một câu hỏi đặt ra cho chúng ta là những gì đã quyết định những tính năng u việt đó của chất bán dẫn ? Đó hẳn là bí mật về tính dẫn điện một chiều của nó. Lý thuyết về bán dẫn thì đã đợc nói tới rất nhiều trong các giáo trình chất rắn, giáo trình điện tử học ở đây ta chỉ sơ qua về các quá trình vật lý xảy ra ở mặt ghép hai bán dẫn khác loại (điôt bán dẫn). Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc công nghệ với nhau, các hiện tợng vật lý xảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các dụng cụ bán dẫn điện hiện đại. Hình I.1. biểu diễn mô hình lý tỏng hoá một mặt ghép p-n khi cha có điện áp ngoài đặt vào. Với giả thiết ở nhiệt độ phòng, các 4 Hình I.1. Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý nguyên tử tạp chất đã bị ion hoá hoàn toàn (n n = N + D , P p = N - A ) các hiện tợng xảy ra tại nơi tiếp xúc có thể mô tả tóm tắt nh sau: Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (n n >> n p và P D >> P n ), tại vùng tiếp xúc có hiện tợng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện một dòng khuếch tán I kt hớng từ P sang n. Tại một vùng lân cận I 0 hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với các vùng còn lại), do đó đồng thời xuất hiện một điện trờng nội bộ hớng từ vùng n (lớp ion dơng N + D ) sang vùng P (lớp ion âm N - A ) gọi là điện trờng tiếp xúc. Ngời ta nói đã xuất hiện một hàng rào điện thế hay một hiệu thế tiếp xúc U tx , bề dày lớp nghèo I 0 phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, nếu N A = N P thì I 0 đối xứng qua mặt tiếp xúc I on = I op , thờng N A >> N D nên I on >> I op và phần chủ yếu nằm bên loại bán dẫn pha tạp chất ít hơn (có điện trở suất cao hơn) điện trờng E tx cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây ra chuyển động gia tốc (trôi) của các hạt thiểu số qua miền tiếp xúc có chiều ngợc lại với dòng khuếch tán. Quá trình này tiếp diễn sẽ dẫn tới một trạng thái cân bằng động: I kt = I tr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n. Hiệu thế tiếp xúc có giá trị xác lập đợc xác định bởi = = p n n p tx n n q KT P P q KT U lnln Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tại tiếp xúc p-n một điện trờng ngoài. Có hai trờng hợp xảy ra. Khi điện trờng ngoài (E ng ) ngợc chiều với E tx (tức là có cực tính dơng đặt vào p, âm tại n). Khi đó do E ng chủ yếu đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với E tx nên cờng độ trờng tổng cộng tại vùng I 0 giảm đi do đó làm tăng chuyển động khuếch tán I KT tăng, ngời ta gọi đó là hiện tợng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n khi nó đợc mở. Dòng điện trôi do E tx gây ra gần nh giảm không đáng kể do nồng độ hạt thiểu số nhỏ. Trờng hợp này ứng với 5 Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý hình I.2a gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n. Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi so với I 0 . Khi E ng cùng chiều với E tx (ngợc lại ở trên), do tác dụng xếp chồng điện trờng tại vùng nghèo, dòng I Kt giảm tới không, dòng I tr có tăng chút ít và nhanh đến một giá trị bảo hoà gọi là dòng điện ngợc bảo hoà của tiếp xúc p- n. Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân bằng. Ngời ta gọi đó là sự phân cực ngợc cho tiếp xúc p-n. Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt trong một điện trờng ngoài có tính chất van: dẫn điện không đối xứng theo hai chiều. Ngời ta gọi đó là hiệu ứng chỉnh lu của tiếp xúc p-n: theo chiều phân cực thuận (U AK > 0), dòng có giá trị lớn tạo bởi dòng hạt đa số phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngợc (U sk < 0) dòng có giá trị nhỏ hơn vài cấp do hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p-n khoá. Đây là kết quả trực tiếp của hiệu ứng điều biến điện trở của lớp nghèo của mặt ghép p-n dới tác dụng của trờng ngoài. 6 HinhI 2. mặt ghép p-n khi phân cực thuận (a) và phân cực ngược (b) Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý I. 3. chỉnh lu một pha I. 3.1. Chỉnh lu một pha nửa chu kỳ Sơ đồ chỉnh lu nh hình vẽ. Trên sơ đồ: sinUu 22 2 = ; = t U 2 là giá trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp máy biến áp. Trong sơ đồ này dòng chỉnh lu cũng là dòng anôt i a , đồng thời là dòng thứ cấp máy biến áp i 2 . Nếu bỏ qua trở kháng thứ cấp máy biến áp (r a = 0 và l a = 0) ta có. Phơng trình cân bằng suất điện động mạch thứ cấp máy biến áp. 2 U 2 sin = R d i d + X d d di d Là phơng trình vi phân bậc 1 không đồng nhất, có nghiệm là: i d = " d ' d ii + Trong đó: ' d i = 22 2 2 dd XR U + sin(-) ' d ' i = A d d X R e : = arctag d d R X Biết rằng khi = 0 thì i d = 0 do đó: i d 22 2 2 dd X U + = R [sin( - )]+ sin d d X R e ] Đơng cong i d đợc biểu diễn trên hìnhI.4 Chính vì có điện kháng trên mạch tải cho nên i d không cùng dạng với u 2 . 7 Hinh I.3. Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý Sức điện động sinh ra trong cuộn kháng có giá trị âm trong khoảng OO 1 khi i d tăng; và có giá trị dơng trong khoảng O 1 O 3 khi i d giảm. - Trong khoảng OO 1 : Công suất máy biến áp là U 2 i 2 > 0, còn công suất điện kháng e x i d < 0; điều này nói lên rằng lới điện vừa cung cấp năng lợng tiêu tán trên điện trở vừa cung cấp năng lợng cho cuộn kháng. - Trong khoảng O 1 O 2 ta có: U 2 i d > 0 và e x i d > 0 nói lên rằng điện trở R d nhận năng lợng từ lới điện và cả cuộn kháng. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu: U d = + 0 2 2 1 d)eu( x Nhng vì. 0 de x = 0 Cho nên U d = 2 cos1 . 2 2 U = 0,45U 2 . 2 cos1 Hình I. 4 Thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lu: I d = 2 cos1 . 2 2 = dd d R U R U 8 Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý I d = 2 1 2 2 cos tg X U Quan hệ giữa và góc đợc xét nh sau: Khi = thì i d = 0, do đó ta có: sin( - ) = - sin d d X R e Hoặc sin (- ) = - sin g e cot Quan hệ này đợc trình bày trên hình I.4. I.3. 2. Chỉnh lu một pha, hai nửa chu kỳ Sơ đồ mạch điện trình bày trên hình I.5. đồ thị điện áp và dòng điện không trình bày ở đây. Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lu là máy biến áp có hai cuộn dây thứ cấp, các van V 1 và V 2 luân phiên nhau cho dòng chảy qua. Trong nửa chu kỳ thứ nhất, anôt V 1 có điện thế cao hơn nên V 1 cho dòng chảy qua mạch tải. Trong nửa chu kỳ thứ hai V 2 cho dòng chảy qua mạch tải. Nh vậy, trong cả nửa chu kỳ khi nào cũng có dòng chảy qua tải, nhng trong mỗi cuộn dây thứ cấp dòng chỉ có trong nửa chu kỳ thôi. Do thành phần dòng một chiều chảy trong các cuộn dây thứ cấp ngợc chiều nhau nên lõi sắt máy biến áp không bị từ hoá cỡng bức. Để giảm nhỏ dòng đa hài, ngời ta thờng mắc nối tiếp với R d một điện kháng san bằng có điện cảm L d . 9 HìnhI.5. Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý I. 4. Chỉnh lu cầu một pha Sơ đồ gồm một máy biến áp và 4 van chia thành 2 cặp: 1,3 và 2,4 van nào có điện thế anot cao hơn thì cho dòng chảy qua. Trong nửa chu kỳ thứ nhất của U 2 dòng i v1 chảy qua các van 1 và 3, trong nửa chu kỳ thứ hai dòng i v2 chảy qua các van 2 và 4. I.5. chỉnh lu ba pha I.5.1. Chỉnh lu ba pha hình tia: Sơ đồ chỉnh lu điôt ba pha hình tia đợc trình bày trên hìnhI.7 điện áp các pha thứ cấp biến áp: u 2a = 2 U 2 sin Hình I. 7. Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia. a. Sơ đồ mạch; b. Điện áp chỉnh lưu 10 Hinh I.6. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha . nghiên cứu Cơ sở lý thuyết và ứng dụng của Tiristor 2 Luận văn tốt nghiệp Ngũ Văn Dũng 40A2 - Lý II. Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở lý thuyết về quá. bán dẫn Tiristor, chỉnh lu dùng Tiristor. Nguyên tắc hoạt động của các sơ đồ điều khiển dùng Tiristor và tiến tới thiết kế lắp đặt một sơ đồ ứng dụng các