A. Thysistor phần tử khóa trong các mạch điều chế
A1. Khái niệm
Thyristor là một linh kiện bán dẫn có hai trạng thái ổn định, cấu tạo từ ba hoặc nhiều hơn ba tiếp giáp bán dẫn P-N, dụng cụ có thể chuyển từ trạng thái đóng sang mở và ngược lại, được mô tả như trên hình 2.5.
Thyristor cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn ghép xen kẽ tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược (như mô tả trong cấu trúc hình 2.5). Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate (cực khiển) gọi tắt là A-K-G. Đó là một dạng diode có điều khiển. Ở trang thái bình thường, khi chưa được phân cực thuận hay không được kích hoạt, thyristor không dẫn điện. Nếu đặt một điện áp phù hợp vào cực khiển, xuất hiện dòng khiển Igk, thyristor sẽ thông dẫn cho tới khi cực tính của điện áp
ak
U đảo chiều. Vì thế người ta còn gọi thyristor là loại “khóa cứng” hay diode hai trạng thái. Điều này rất tốt trong trường hợp điều khiển các mạch tích thoát năng lượng, như các mạch điều chế xung của radar.
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc của: Dinistor (a), thyristor (b); Sơ đồ tương đương (c) và ký hiệu (d),
Để minh họa cho nguyên lý hoạt động của thyristor, chúng ta có thể lắp một mạch điện mô phỏng như trong hình 2.6.
-Ban đầu công tắc K2 đóng, Thyristor mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua, đèn không sáng.
-Khi công tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 đi qua Thyristor làm đèn sáng.
-Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , như vậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện.
-Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưng trang thái hoạt động.
- Khi Thyristor đã ngưng dẫn, ta đóng K2 nhưng đèn vẫn không sáng như trường hợp ban đầu.
A2. Phân loại và nguyên lý hoạt động
Có hai dạng thyristor được mô tả, đó là dinistor (h.2.5 a) và thyristor (h.2.5b). Nguyên lý hoạt động của dinistor (thyristor không có điều khiển) có thể mô tả như sau:
- Trường hợp phân cực ngược, nghĩa là cực âm của nguồn được nối với anode ( 1
p ) – emitor của transistor PNP, cực dương của nguồn được nối với emitor của transistor NPN (n2) – katode. Các tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận, thyristor có thể coi như hai diode mắc nối tiếp và đều được phân cực ngược, không có dòng khuếch tán chảy qua các diode, chỉ có dòng ngược do nhiệt sinh ra. Hiện tượng đánh thủng sẽ xẩy ra tương ứng với điện áp đánh thủng của một trong hai tiếp giáp J1,
3
J kể trên.
- Trường hợp phân cực thuận, dương cực được nối với anode, âm cực được nối với katode. Các tiếp giáp J1,J3 được phân cực thuận, J2 được phân cực ngược, chỉ có dòng nhiệt rất nhỏ chảy qua dinistor. Khi điện áp nguồn ngoài được tăng dần lên,
lượng điện tích thiểu số tại các base (lỗ hổng tại n1, điện tử tại p2) của các transistor tăng dần lên, dòng IB của các transistor này tăng càng nhanh, đến một giá trị nhất định nào đó transistor T1 (hoặc T2) dẫn bão hòa kéo theo transistor còn lại T2 (T1) cũng dẫn bão hòa và J2 bị trực thông, thyristor chuyển trạng thái từ không dẫn sang dẫn bão hòa (h.2.7a). Sụt áp trên thyristor lúc này rất nhỏ được gọi là điện áp dẫn, điểm dòng tương ứng được gọi là dòng ngắt.
- Trường hợp có dòng kích tại cực khiển G (thyristor có điều khiển). Khi có một dòng kích nhất định tại base của T2, transistor này sẽ sớm dẫn bão hòa, dòng collector của nó sẽ làm cho T 1 bão hòa theo và thyristor sớm dẫn điện mặc dù điện áp phân cực thuận trên nó chưa đạt đến giá trị mở như trong trường hợp dinistor. Dòng điều khiển càng lớn thì Thyristor càng dẫn điện ở điện áp anode thấp hơn (h.2.7b). Thyristor khi đã dẫn điện chỉ có thể chuyển sang trạng thái không dẫn nếu điện áp phân cực bị đảo ngược hoặc dòng chảy qua nó nhỏ hơn giá trị dòng ngắt.
Thông số đặc trưng quan trọng của thyristor so với transistor là nội trở chuyển mạch nhỏ. Điều này cho phép thyristor có thể dẫn dòng lớn hớn hàng chục lần so với transistor. Có rất nhiều loại thyristor có dòng dẫn từ vài chục mA đến một vài trăm A với điện áp công tác từ một vài chục vôn đến hàng nghìn vôn. Các thông số quan trọng của thyristor có thể kể ra như sau :
Hình 2.7.Đặc tuyến Vôn-Amper của: Dinistor (a); Thyristor (b)
a U ,0 m U ,1 m U,2 m U 0 a I 1 a U , ax a m P a I , ax , ax (Ia m ,Ua m ) ) b 1 a I B > > IGA1 a I a U ) a mo U d U ngat I B A
- Dòng đóng Ia1, được xác định từ điều kiện dU dI/ =0, điểm A.
- Điện áp đóng mạch Um, đó là điện áp thuận lớn nhất trên thyristor tại điểm đó thyristor bắt đầu đóng mạch.
- Dòng ngắt Ia0, đó là dòng điện nhỏ nhất của thyristor vẫn đảm bảo cho thyristor trong trạng thái dẫn, điểm B.
- Dòng điều khiển IG0, dòng điều khiển chảy qua G, nhỏ nhất đưa thyristor vào trạng thái dẫn. Dòng này càng lớn thì điện áp đóng mạch của thyristor càng nhỏ.
- Thời gian đóng mạch τ1, thời gian ngắn nhất để thyristor đóng mạch khi có dòng điều khiển IG.
- Thời gian ngắt mạch τ0, thời gian ngắn nhất để thyristor chuyển trạng thái từ dẫn sang ngắt mạch khi có tác động thích ứng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thyristor được sử dụng rộng rãi như một khóa điện tử có điều khiển hay còn gọi là rơle điện tử có điều khiển. Ngoài thyristor đơn còn có các thyristor đối xứng có thể đóng mạch cả hai chiều của điện áp anode đó chính là triak. Triak có thể thay thế các rơle điện dòng rất lớn hay sử dụng như các cầu dao của các hệ thống chiếu sáng và sưởi nóng. Việc sử dụng triak để thay thế cho hai thyristor đơn không chỉ trong các nguồn nuôi ổn áp, mà ở tất cả mọi nơi ở đâu cần điều chỉnh dòng điện xoay chiều. Ngoài lợi thế về số lượng phần tử, triak không đòi hỏi độ bảo vệ quá áp lớn vì nó dẫn cả hai hướng.
B. Mạch điều chế xung dùng đường dây dài
Dạng mạch điều chế xung thứ hai được sử dụng trong radar hàng hải là mạch điều chế xung dùng đường dây dài. Đường dây dài ở đây thực hiện các chức năng đó là phần tử tích năng lượng và mạch tạo dạng các xung điện áp hình vuông có độ rộng xác định và phù hợp với các thang đo khác nhau của trạm.
Với chức năng là phần tử tích năng người ta có thể sử dụng đoạn cáp đồng trục hở mạch đầu cuối hay đường dây dài nhân tạo dưới dạng các mạch LC mắc nối khác nhau.
Trong các mạch dùng đường dây dài, phần tử chuyển mạch chỉ làm việc ở chế độ đóng mạch, do đó thường được dùng là các ống phóng khí (các diode điện tử có khí), hay được sử dụng nhất là đèn khí hiđro, loại đèn này thời gian ion hoá rất nhỏ, cho phép đóng mở với xung điều khiển cực hẹp. Ngày nay thay cho đèn điện tử khí, người ta sử dụng các transistor mosfet hay thysistor. Sơ đồ nguyên lý của mạch về nguyên tắc được mô tả như trong hình vẽ 2.8.
Hình 2.8. Mạch điều chế xung dùng đường dây dài.
Về nguyên tắc nguồn nạp cho đường dây dài có thể là một chiều hay xoay chiều. Nhưng thông thường là một chiều. Nguồn xoay chiều chỉ dùng trong các radar cổ xưa, khi đó tần số của nguồn điện nuôi thường bằng hoặc là bội của tần số nguồn máy phát điện trên tàu.
Nguyên lí hoạt động của mạch có thể giải thích như sau: Khi không có xung kích thích khoá K hở. Đường dây dài được nạp năng lượng qua cuộn chặn L1, diode D1 và cuộn sơ cấp của biến áp Tr1. Khi có xung kích thích, khoá K đóng mạch, năng lượng được tích
trong đường dây dài phóng qua sơ cấp biến áp Tr1 và khoá K xuống đất. Thông thường thì điện trở tải phù hợp với trở kháng sóng của đường dây: ρ =rm/n2, trong đó rm là trở kháng tĩnh của manhetron, n là hệ số biến áp, dòng phóng: ip=E/2ρ, UT = ipRT =E/2. Độ rộng của xung điện áp hình thành trên biến áp xung: τx=2l/νo, l là độ dài của đường dây, và vo =C/ εo.µo là vận tốc lan truyền của sóng trong đường dây. Điode D2 và điện trở R2 mắc vào đầu đuờng dây nhằm mục đích chống quá áp cho đường dây khi đường dây phóng điện. Để thay đổi độ rộng của xung điều chế τx người ta có thể dùng các đường dây đơn, kép hai hay kép 3. Điều này làm cho thiết bị rất cồng kềnh. Thay cho các đường dây dài, trong thực tiễn người ta sử dụng các đường dây dài nhân tạo hình thành bởi các phần tử L,C tập trung như trong hình vẽ 2.9
Độ rộng của các xung được hình thành nhờ các đường dây dài loại này được xác định : LC n X =2 τ (2.19) Trong đó n - số lượng các mạch LC
L,C - điện cảm và điện dung của mạch.
Các xung được tạo ra qua các mạch trên thường có đỉnh xung không bằng phẳng và dạng của chúng phụ thuộc vào số lượng các mạch. Như trong hình 2.10. Điều này ảnh hưởng xấu tới chế độ công tác của bộ tạo sóng.
Tuy nhiên số lượng các mạch cũng chỉ giới hạn ở phạm vi từ 5-6, vì khi n tăng điện dung của mạch quá nhỏ, có thể xấp xỉ với điện dung kí sinh.
Hình 2.10. Dạng các xung phụ thuộc vào số lượng các mắt lọc của đường dây dài
Để cải thiện dạng xung điều chế người ta sử dụng các đường dây dài nhân tạo mắc phối hợp như trong hình vẽ 2.11
Qua hình vẽ cho thấy ở giải pháp này dạng xung điều chế được cải thiện rất nhiều, nhưng số lượng các mạch cũng chỉ giới hạn ở phạm vi từ 4 – 6, lớn hơn sẽ làm cho các giá trị điện dung quá nhỏ xấp xỉ với điện dung kí sinh.
Hình 2.11. Đường dây dài nhân tạo ghép nối tiếp- song song.
Hình 2.12. Dạng xung điện áp từ đường dây dài phối hợp giữa các mạch nối tiếp, song song.
Trong các mạch điều chế xung dùng đường dây dài thực tiễn để có được các xung điều chế có dạng cũng như các thông số phù hợp với các thang đo khác nhau của trạm radar, người ta dùng các đường dây dài có số lượng các mắt xích khác nhau và khi thay đổi các thang đo tầm xa, người ta khống chế các rơle để thêm vào hay bớt đi các mắt xích LC của đường dây dài. Còn để phối hợp các khả năng chịu dòng hay chịu áp của các thyristor, người ta mắc các thyristor song song hoặc nối tiếp sao cho phù hợp như trong các mạch điều chế xung thực tiễn như trong hình
Hình 2.13. Sơ đồ mạch điều chế xung dùng đường dây dài ứng với nhiều thang đo khác nhau
Trong sơ đồ này, hai thyristor được mắc nối tiếp với nhau cho nên điện áp ngược (khi chấm dứt xung kích thích) trên mỗi thyristor chỉ bằng một nửa điện áp nguợc trên đường dây. Điện áp kích thích được đưa vào cực khiển của thyristor SCR2, còn thyristor SCR1 được kích thích muộn hơn một chút nhờ mạch tạo dạng xung R0, C0, Rg cùng trạng thái dẫn của SCR2. Các điện trở R1, R2, có giá trị tương đối lớn (cỡNMΩ) có tác dụng phân áp ngược đồng đều cho hai thyristor SCR1 và SCR2 .
Việc thay đổi các thông số của đường dây dài tương ứng với các thang đo tầm xa khác nhau được thực hiện thông qua việc đóng mở các tiếp điểm của rơle P, nối vào dây trễ thêm các mắt lọc LC.
Ở vị trí đầu tiên, khi các tiếp điểm của rơle hở, chúng ta có mạch điều chế xung dùng tụ, độ rộng của xung phát là nhỏ nhất ứng với thang tầm xa ngắn nhất. Sau đó tùy theo số lượng các tiếp điểm rơle được đóng mà độ rộng của xung phát được xác định là khác nhau.
Nếu các thyristor được sử dụng là các thyristor có điện áp ngược lớn còn dòng dẫn nhỏ, người ta dùng các sơ đồ mắc thyristor song song như trên hình 2.14.
Hình 2.14. Mạch điều chế xung dùng thyristor mắc song song
Trong sơ đồ mắc song song các thyristor trên, Tr1, Tr3, là các biến áp xung đầu vào và đầu ra, riêng biến áp Tr2 chỉ làm nhiệm vụ cân bằng điểm cùng mở của hai thyristor. Cũng tương tự như mạch điều chế xung dùng đường dây dài nhân tạo có các thyristor mắc nối tiếp, việc thay đổi các thông số của đường dây dài tương ứng với các thang đo tầm xa khác nhau được thực hiện thông qua việc đóng mở các tiếp điểm của rơle P, nối vào dây trễ thêm các mắt lọc LC. Ở vị trí đầu tiên, khi các tiếp điểm của rơle hở, chúng ta có mạch điều chế xung dùng tụ, độ rộng của xung phát là nhỏ nhất ứng với thang tầm xa ngắn nhất. Sau đó tùy theo số lượng các tiếp điểm rơle được đóng mà độ rộng của xung phát được xác định càng nhiều tiếp điểm ở vị trí đóng, độ rộng của xung phát càng lớn