Ứng dụng thyristor trong mụi trƣờng cụng nghiệp mạch điều khiển, mạch đúng mở khống chế xung.
a. Mạch chỉnh lƣu cú khống chế pha kiểu xung
Nếu cực G của thyristor trong mạch trờn luụn đƣợc phõn cực để cho thyristor thụng thỡ vai trũ của thyristor cũng giống nhƣ một van chỉnh lƣu thụng thƣờng. Khi đặt vào cực G một chuỗi xung kớch thớch làm thyristor chỉ mở tại những thời điểm nhất định (cựng với chu kỳ dƣơng của điện ỏp nguồn đặt vào anot) thỡ dạng điện ỏp ra trờn tải của thyristor khụng phải là toàn bộ cỏc nửa chu kỳ dƣơng nhƣ thụng thƣờng mà tựy theo quan hệ pha giữa xung kớch và điện ỏp nguồn, chỉ cú từng phầncủa nửa chu kỳ dƣơng nhƣ hỡnh 5.5
Hỡnh 5.5. Mạch khống chế xung đơn giản
b. Mạch khống chế pha 900
Hỡnh 5.6. Mạch khống chế pha 900
Dũng kớch mở cực G đƣợc lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1. Nếu R1 đƣợc điều chỉnh đến giỏ trị nhỏ thỡ thyistor sẽ mở hầu nhƣ đồng thời với nửa chu kỳ dƣơng đặt vào anốt. Nếu R1 đƣợc điều chỉnh đến một giỏ trị lớn thớch hợp thỡ thyristor chỉ mở ở nửa chu kỳ dƣơng nếu nhƣ UV đạt giỏ trị cực đại. Điều chỉnh điện trở R trong khoảng 2 giỏ trị này cú thểlàm cho thyristor mở với gúc pha từ 0-900. Nếu tại gúc pha
900mà thyristor khụng mở thỡ nú cũng khụng thể mở ở gúc pha nào và tại gúc pha 900 dũng IG cú cƣờng độ lớn nhất. Chỳ ý rằng điốt D1 để bảo vệ thyristor khi nửa chu kỳ
õm của nguồn điện đặt vào cực G.
Vớ dụ:
Giả sử điện ỏp nguồn xoay chiều cú biờn độ là 30V? Điện trở tải bằng 15.
Xỏc định khoảng điều chỉnh của R1 để cú thể mở thyristor tại bất cứ gúc nào trong khoảng từ 5o
–90o. Biết rằng dũng mở cực G là 100A và điện ỏp cửa G là 0,5V.
Lời giải
Từ hỡnh vẽ ta thấy rằng trong khoảng thời gian thyristor mở, dũng IG chảy qua
R1, D1 và Rt. Bởi vậy khi transistor mở cú thể viết:
EV = IG.R1 + UD1 + UG + IG.Rt IG.R1 = EV – UD1- IG.Rt - UG
R1 = (EV – UD1- IG.Rt - UG)/IG
Tại 50
ta cú EV = 30sin50 = 2,6V
R1 = (2,6– 0,7- 0,5 -100A.15)/100A = 14k = R1min
Tại 900 ta cú EV = 30sin900 = 30V
R1 = (30– 0,7- 0,5 -100A.20)/100A = 288k = R1max
Nhƣ vậy để gúc mở của thyristor cú thể mở từ 5 0 – 900 thỡ điện trở R1 phải điều chỉnh từ 14k - 288k.
c. Mạch khống chế pha 1800
Hỡnh 5.7.Mạch khống chế pha 1800
Khoảng nửa chu kỳ õm của điện ỏp đặt vào, tụ C1 đƣợc nạp điện theo chiều õm. Quỏ trỡnh nạp tiếp diễn đến giỏ trị cực đại của nửa chu kỳ õm. Khi điểm cực đại của nửa chu kỳ õm đi qua, điốt D2 đƣợc phõn cực õm (vỡ anụt của nú đƣợc nối với tụ điện C1 cú điện thế õm so với catụt). Sau đú tụ C1phúng điện qua tụ điện trở R1.Tựy theo
giỏ trị của tụ R1 mà C1 cú thể phúng hết (điện ỏp trờn hai cực của tụ bằng 0), ngay khi bắt đầunửa chu kỳ dƣơng của nguồn đặt vào thyristor, hoặc cú thể duy trỡ một điện ỏp õm nhất định trờn cực của nú mói cho tới khi gúc pha 1800 của nửa chu kỳ dƣơng tiếp sau đặt vào thyristor. Nhƣ vậy bằng cỏch chỉnh R1 và C1 (hoặc cả hai) cú thể làm thyristor mởở bất kỳ gúc nào trong khoảng 0-1800của nửa chu kỳ dƣơng nguồn điện ỏp đặt vào thyristor.
Để khống chế theo cả nửa chu kỳ dƣơng và nửa chu kỳ õm ta mắc mạch nhƣ sau:
Hỡnh 5.8.Mạch khống chế hai chu kỳ Trong đú mạch khống chế gồm cỏc tụ C1, trở R1 và điốt D2.
5.2. Cỏc dụng cụ chỉnh lưu cú cấu trỳc bốn lớp khỏc
5.2.1. TRIAC
Cấu trỳc, sơ đồ tƣơng đƣơng, đặc tuyến Volt – Ampe của TRIAC đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 5.9.
Hỡnh 5.9. Cấu trỳc (a), sơ đồ tương đương (b) và đặc tuyến (c) của TRIAC
Ta cú thể thấy rằng TRIAC tƣơng đƣơng với hai thyristor mắc song song chung cực G. Vỡ tƣơng đƣơng với hai thyristor mắc song song ngƣợc chiều cho nờn hai cực của nú khụng thể gọi là anốt và catốt mà gọi là A1 và A2. Khi điện thế cực G dƣơng hơn so với A1 và cực A2 cũng dƣơng hơn so với A1 cỏc transistor tƣơng đƣơng Q3 và
Q4 mở. Trong trƣờng hợp này A2 đúng vai trũ anốt cũn A1 đúng vai trũ catốt. Khi cực
G và A1 cú điện thế dƣơng so với A2, transistor tƣơng đƣơng Q1 và Q2 mở, khi đú A1
đúng vai trũ anốt cũn A2 đúng vai trũ catốt. Từ đú thấy rằng TRIAC dẫn điện theo cả hai chiều.
5.2.2. DIAC
Về mặt cấu tạo DIAC hoàn toàn giống nhƣ TRIAC nhƣng nú khụng cú cực khống chế G. DIAC đƣợc kớch mở bằng cỏch nõng cao điện ỏp đặt vào hai cực. Ký hiệu mạch và đặc tuyến V-A đƣợc cho nhƣ hỡnh dƣới đõy:
Hỡnh 5.10. Đặc tuyến và ký hiệu mạch của DIAC
Ứng dụng chủ yếu của DIAC: Linh kiện này đƣợc sử dụng rộng rói trong điện tử và điện tử kỹ thuật. Sau đõy là một số ứng dụng thƣờng gặp:
+ Kiểm tra và điều khiển vận tốc mụtơ điện
+ Kiểm tra và điều khiển nhiệt độ
+ Làm cỏc mạch quột trong màn hỡnh TV.
5.2.3. Điụt bốn lớp
Điốt bốn lớp cũn đƣợc gọi là Điốt Socley, về mặt cấu tạo tƣơng tự nhƣ thyristor nhƣng khụng cú cực khống chế G. Điốt đƣợc kớch mở bằng cỏch nõng cao điện ỏp trờn hai cực của Điốt (vƣợt quỏ điện ỏp mở thuận). Ký hiệu mạch và đặc tuyến V – A
của điốt bốn lớp đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 5.11
Hỡnh 5.11. Ký hiệu mạch và đặc tuyến của điốt bốn lớp
Điện ỏp mở thuận của điốt bốn lớp tƣơng ứng với điện ỏp đỏnh thủng thuận của thyristor. Dũng cực tiểu chảy qua Điốt khiến điốt mở gọi là dũng mở IS. Dũng ghim IH
và điện ỏp dẫn thuõn UF của điốt bốn lớp cũng tƣơng tự nhƣ thyristor.
Ứng dụng: Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điốt bốn lớp là dựng nú để tạo dao động răng cƣa. Sơ đồ nguyờn lý nhƣ mạch nhƣ hỡnh 5.12.
Hỡnh 5.12. Mạch dao động dựng điốt bốn lớp
đƣợc tiếp diễn cho đến khi điện ỏp trờn hai cực của tụ C vƣợt quỏ điện ỏp kớch mở cho điốt bốn lớp là điốt mở, tụ C phúng điện qua nội trở nhỏ của điốt. Điện ỏp trờn tụ C giảm xuống cho nờn điện ỏp đặt lờn hai cực của điốt cũng giảm, khi điện ỏp này giảm đến mức làm cho dũng qua điốt nhỏ hơn dũng ghim IH thỡ điốt bốn lớp lại đúng và tụ C lại bắt đầu đƣợc nạp. Điện ỏp ra cú dạng răng cƣa. Điện trở R1 trờn sơ đồ phải chọn sao cho khi điốt mở, dũng chảy trong mạch phải cú cƣờng độ bằng IS (dũng mở điốt). Nếu dũng chảy qua R1 nhỏ hơn IS thỡ điốt sẽ khụng mở. Nhƣng R1 cũng phải chọn đủ lớn để ngăn chặn khụng cho dũng chảy qua điốt giảm ngay xuống dƣới giỏ trị dũng IH
khi tụ C phúng điện nghĩa là ngăn ngừa khả năng điốt đúng ngay sau khi tụ C phúng điện.
+ Nếu điốt bốn lớp đƣợc ghộp song song và ngƣợc chiều sau đú đặt chỳng vào một vỏ bọc sẽ đƣợc điốt bốn lớp hai chiều. Nguyờn lý làm việc của điốt bốn lớp hai chiều cũng tƣơng tự nhƣ điốt bốn lớp một chiều, nhƣng do ghộp hai điốt ngƣợc chiều nhau nờn nú dẫn điện cả hai chiều.
5.3.Transistor một lớp chuyển tiếp P-N
Transistor một lớp chuyển tiếp P-N UJT (unijunction transistor) đụi khi cũn gọi là điốt hai đỏy. Tuy cũng gọi là transistor nhƣng nguyờn lý của nú khỏc hẳn với
transistor lƣỡng hạt và transistor hiệu ứng trƣờng. Cực vào của UJT đƣợc gọi là emitơ cú điện trở giảm đột ngột khi điện ỏp vào đạt đến một giỏ trị nhất định. Chớnh vỡ vậy trờn đặc tuyến Von – Ampe của nú xuất hiện đoạn điện trở õm. Do đặc tớnh này của UJT mà nú đƣợc dựng khỏ rộng rói trong cỏc mạch thời gian và mạch tạo dao động.
5.3.1. Nguyờn lý làm việc, đặc tuyến và cỏc tham số
a.Cấu tạo
UJT đƣợc chế tạo bằng cỏch trờn một phiến bỏn dẫn loại N pha tạp ớt (điện trở suất lớn) ngƣời ta tạo ra một vựng bỏn dẫn loại P pha tạp nhiều (điện trở suất nhỏ) nhƣ hỡnh 5.13.a. Từ miền bỏn dẫn loại P này nối ra một điện cực gọi là emitơ. Hai đầu của bỏn dẫn loại N nối ra hai điện cực đƣợc gọi là Bazơ1 (B1) và Bazơ2 (B2). Từ cấu tạo của UJT nhƣ hỡnh 5.13.a cú thể vẽ đƣợc sơ đồtƣơng đƣơng của nú nhƣ hỡnh 5.13.b.
Hỡnh 5.13. Cấu trỳc (a) và sơ đồ tương đương (b) của UJT
+ Do phiến bỏn dẫn loại N cú điện trở suất cao cho nờn từ điểm B1 đến điểm C (điểm tƣơng ứng với chuyển tiếp P-N cực emitơ) đƣợc thay bằng điện trở RB1 và từ B2
đến C đƣợc thay bằng RB2, tổng hai điện trở này bằng điện trở B1 đến B2 ký hiệu là
RBB. Chuyển tiếp PN cực emitơ đƣợc thay bằng điốt D.
+ Nếu đặt vào B1 và B2 một điện ỏp nhƣ hỡnh 5.13 thỡ cú thể tớnh đƣợc điện ỏp tại điểm C so với B1 khi cực E hở mạch nhƣ sau:
BB B BB B B B BB R R U R R R U U 1 2 1 1 1
Trong đú RBB = RB1 + RB2. Điện ỏp U1 cũng chớnh là điệnỏp đặt vào catốt của điốt D. Khi cực E hở mạch thỡ chỉ cú dũng điện chảy qua B1B2.
BB BB B R U I 2
cú một dũng ngƣợc (IE0) chảy.
+ Bõy giờ xột truờng hợp đặt vào giữa cực E và B1 một điện ỏp dƣơng. Khi tăng
UEB1 từ giỏ trị 0 đến U1thỡ IE0 sẽ giảm xuống 0, vỡ khi ấy giữa anốt và catốt cú điện thế nhƣ nhau. Nếu cứ tiếp tục tăng UEB1 theo chiều dƣơng thỡ điốt D sẽ đƣợcphõn cực thuận và tạo ra dũng chảy thuận từ cực E vào phiến Bazơ của UJT. Khi dũng thuận IE
này xuất hiện, cú nghĩa là cỏc hạt dẫn đƣợc phun từ miền emitơ và miền B1 tăng lờn đột ngột, khiến cho nồng độ hạt dẫn trong miền này tăng lờn và do đú làm cho điện trở
RB1 đột ngột giảm đi. Vỡ RB1 giảm, cú thể thấy rằng U1 cũng đột ngột giảm đi. Điều này khiến cho điụt D càng cú xu huớng đuợc phõn cực thuận, dũng IE thuận tăng lờn làm cho U1 tiếp tục giảm đi. Trong quỏ trỡnh này D luụn luụn phõn cực thuận nờn điện ỏp sụt trờn nú khụng đỏng kể, vỡ thế cú thể coi gần đỳng U1=UEB1. Nhƣ vậy sau khi
làm cho D thụng, dũng IE cú xu hƣớng ngày một tăng trong khi đú trong khi đú UEB
ngày một giảm. Đú chớnh là nguyờn nhõn xuất hiện hiệu ứng điện trở õm trong UJT. Đƣơng nhiờn dũng IE khụng thể tăng mói, nú bị giới hạn bởi điện trở nguồn. Sau khi đƣợc mở, UJT duy trỡ trạng thỏi này cho tới khi mạch vào hở mạch hoặc dũng IE giảm xuống giỏ trị quỏ nhỏ.
b. Ký hiệu mạch và đặc tuyến Von-Ampe của UJT đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 5.14.
Đặc tuyến Von – Ampe của UJT mụ tả quan hệ giữa dũng IE và điện ỏp UBE1. Điện ỏp giữa hai cực B1 và B2 coi nhƣ tham số
Hỡnh 5.14. Ký hiệu mạch và đặc tớnh V- A của UJT
+ Khi IB1 = 0, U1 = 0, chỉ tăng UEB1 một chỳt điốt D đó phõn cực thuận cho nờn đặc tuyến Von- Ampe của UJT trong trƣờng hợp này hoàn toàn giống nhƣ đặc tuyến của điốt phõn cực thuận, chỉ khỏc trong truờng hợp này điốt đƣợc nối tiếp với một điện trở. Khi UB1B2 = 20V và UEB1 = 0, chuyển tiếp emitơ (điốt D) bị phõn cực ngƣợc, qua cực E cú dũng ngƣợc IE0 chảy. Cƣờng độ dũng này đƣợc biểu diễn bằng điểm 1 trờn đặc tuyến. Khi tăng dần UEB1 nhƣng giỏ trị cũn nhỏ hơn nhiều so với U1, thỡ dũng IE0 vẫn tiếp tục chảy với cƣờng độ gần nhƣ khụng đổi (giống nhƣ dũng ngƣợc bóo hoà của điốt). Quỏ trỡnh tăng UEB1 lỳc ban đầu thực tế làm giảm dần điện ỏp phõn cực ngƣợc D tới khi UEB1 = U1 thỡ anốt và catốt của điốt cú điện thế bằng nhau. Dũng qua điốt =0 ứng với điểm 2 trờn đặc tuyến. Nếu tiếp tục tăng UEB1 thỡ điốt D sẽ đuợc phõn cực thuận (vỡ UEB1 > U1), dũng IE chảy theo chiều thuận bắt đầu tăng lờn từ 0. Khi điện ỏp phõn cực thuận điốt cũn nhỏ, dũng thuận IE cũng cũn nhỏ, nú chƣa gõy ảnh huởng gỡ lớn đến điện trở RB1, thƣờng ký hiệu giỏ trị điện ỏp này là Udh và dũng điện
IE tƣơng ứng với điện ỏp ấy là Idh. Ta gọi Udh và Idh là điện ỏp đỉnh và dũng đỉnh. Trị số của nú tựy thuộc vào cấu trỳc cụ thể của UJT: miền đặc tuyến từ giỏ trị này trở về trỏi gọi là miền cắt vỡ ứng với miền ấy UJT chƣa làm việc. Khi IE vƣợt qua giỏ trị Idh thỡ trong quỏ trỡnh IE tăng thỡ điện ỏp UEB1 lại giảm, do đú đặc tuyến Von-Ampe của
định, số hạt dẫn phun vào miền B1 đạt tới giỏ trị bóo hoà, điện trở RB1 khụng tiếp tục giảm nữa. Điện ỏp U1 (cũng chớnh là điện ỏp UEB1) khụng tiếp tục giảm nữa. Điện ỏp
UEB1 ứng với giỏ trị này gọi là điện ỏp đỏy (Udy). Dũng IE ứng với điện ỏp này gọi là dũng đỏy Idy. Điện ỏp đỏy Udy đƣợc xỏc định bởi điện ỏp thuận của điốt D và điện trở
bóo hoà RB1. Nếu tiếp tục tăng dũng IE thỡ khi ấy điện ỏp UEB1 lại tăng. Giỏ trị điện ỏp
UEB1 lỳc này xỏc định bằng tổng của điện ỏp thuận trờn điốt UD và điện ỏp rơi trờn điện trở bóo hoà RS của miền B1 là (IE.RS). Miền đặc tuyến kể từ giỏ trị Idy trở về phớa phải là miền bóo hoà.
Khi UBB cú giỏ trị nhỏ hơn 20V, giỏ trị điện ỏp tƣơng ứng cũng nhỏ đi, do đú UJT cũng sẽ mở ở cỏc giỏ trị UEB1 nhỏ hơn. Thay đổi cỏc giỏ trị UBB sẽ cú một họ đặc tuyến nhƣ hỡnh 5.14
5.3.2. Cỏc ứng dụng điển hỡnh của UJT
a. Tạo dao động răng cƣa
Sơ đồ nguyờn lý và dạng súng dao động đƣợc mụ tả nhƣ hỡnh 5.15
Hỡnh 5.15. Sơ đồ nguyờn lý và dạng súng của mạch tạo dao động dựng UJT
Tụ C đƣợc nạp từ nguồn UBB qua R, khi điện ỏp trờn tụ bằng Udh của UJT thỡ UJT mở và tụ C phúng điện qua UJT làm cho điện ỏp trờn hai cực của tụ hạ xuống bằng giỏ trị điện ỏp bóo hoà của UJT, UEB1S. Khi ấy UJT đúng và tụ C lại bắt đầu một lần nữa nạp điện. Quỏ trỡnh nhƣ vậy tiếp diễn và do đú điện ỏp lấy ra trờn tụ C cú dạng răng cƣa nhƣ hỡnh 5.15. Thời gian (t) để tụ C nạp điện từ UEB10 đến giỏ trị Udh hoàn toàn cú thể tớnh đƣợc cho nờn tần số chuỗi xung răng cƣa cú thể tớnh đƣợc bằng 1/t. Thời gian phúng của tụ C tớnh toỏn tƣơng đối khú khăn vỡ khi ấy nội trở của UJT là
õm và luụn luụn biến đổi.Vỡ thời gian phúng điện tP thƣờng nhỏ hơn thời gian nạp tnạp
rất nhiều cho nờn tớnh gần đỳng cú thể bỏ qua thời gian này.
Vớ dụ:
Cho mạch điện sau:
UBB = 15V
= 0,7 RE = 8,6K
C= 0,1F
Điện ỏp bóo hoà trờn emitơ UEB1S = 2,5V
Thời gian phúng của tụ điện << Thời gian nạp của tụ điện ( p << n )
Tớnh tần số của dóy xung ra trờn tụ C ?
Biểu thức tổng quỏt để tớnh thời gian nạp của một tụ điện qua một điện trở mắc nối tiếp nhƣ sau:
t = 2,3RC.logE-ECE-E0 (*)
Trong đú: C là điện dung tớnh bằng Fara (F)
R là điện trở tớnh bằng Ohm (Ω)
E là nguồn cungcấp
EC là điện ỏp trờn tụ tại thời điểm t
E0 là điện ỏp ban đầu trờn tụ C
Vỡ p << n nờn ta bỏ qua thời gian p. Tớnh thời gian n. Thời gian nạp của tụ điện cú thể coi bằng chu kỳ của dóy xung.