Một thỏi bỏn dẫn pha nhẹ loại n- với 2 lớp tiếp xỳc kim loại ở hai đầu tạo thành hai cực nền B1 và B2. Nối PN được hỡnh thành thường là hợp chất của dõy nhụm nhỏ đúng vai trũ chất bỏn dẫn loại P. Vựng P này nằm cỏch vựng B1 khoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1,B2. Dõy nhụm đúng vai trũ cực phỏt E.
Hỡnh 3.29 Sơ đồ cấu tạo UJT
Transistor đơn nối gồm một nền là thanh bỏn dẫn loại N pha nồng độ rất thấp. Hai cực kim loại nối vào hai đầu thanh bỏn dẫn loại N gọi là cực nền B1 và B2. Một dõy nhụm nhỏ cú đường kớnh nhỏ cỡ 0,1 mm được khuếch tỏn vào thanh N tạo thành một vựng chất P cú mật độ rất cao, hỡnh thành mối nối P-N giữa dõy nhụm và thanh bỏn dẫn, dõy nhụm nối chõn ra gọi là cực phỏt E.
UJT ≡ Uni Junction Transistor là transistor đơn nối. B1: Base 1: cực nền 1.
B2: Base 2: cực nền 2. E: Emitter: cực phỏt.
Transistor đơn nối cú thể vẽ mạch tương đương gồm 2 điện trở RB1 và RB2 nối từ cực B1 đến cực B2 gọi chung là điện trở liờn nền RBB và một diode nối từ cực E vào thanh bỏn dẫn ở điểm B.
Ta cú : RBB = RB1 + RB2
Mạch tương đương với cấu tạo của UJT.
Điểm B thường ở gần cực B2 hơn nờn RB1 > RB2. Mỗi transistor đơn nối cú tỉ số điện
Hỡnh 3.30 Nguyờn lý làm việc UJT
Khi chưa ỏp VEE vào cực phỏt E (cực phỏt E để hở) thỏi bỏn dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, được ký hiệu RBB và gọi là điện trở liờn nền (thường cú trị số từ 4 KΩ 10KΩ). Từ mụ hỡnh tương đương ta thấy Diod được dựng để diễn tả nối P-N giữa vựng P và vựng n-. Điện trở RB1 và RB2 diễn tả điện trở của thỏi bỏn dẫn n-. Như vậy: RBB=RB1+RB2
Vậy điện thế tại điểm A là:
(3.2)
(3.3) Cấp nguồn VEE vào cực phỏt và cực nền B1.
Khi VEE = 0V, vỡ VA cú điện thế dương nờn Diod được phõn cực nghịch và ta chỉ cú một dũng điện rỉ nhỏ chạy ra từ cực phỏt. Tăng VEE lớn dần, dũng điện IE bắt đầu tăng theo chiều dương (dũng rỉ ngược IE giảm dần và triệt tiờu, sau đú
dương dần).
Khi VE cú trị số VE =VA +VD , VE=0,5V + η VB2B1(VB1B2= VBB) thỡ diode phõn cực thuận và bắt đầu dẫn điện mạnh. Điện thế VE= 0,5V + η VB2B1=VP được gọi là điện thế đỉnh (peak-point voltage) của UJT.
Khi VE=VP, nối P-N phõn cực thuận, lỗ trống từ vựng phỏt khuếch tỏn vào vựng n-và di chuyển đến vựng nền B1, lỳc đú lỗ trống cũng hỳt cỏc điện tử từ mass lờn. Vỡ độ dẫn điện của chất bỏn dẫn là một hàm số của mật độ điện tử di động nờn điện trở RB1 giảm. Kết quả là lỳc đú dũng IE tăng và điện thế VE giảm. Ta cú một vựng điện trở õm.
Điện trở động nhỡn từ cực phỏt E trong vựng điện trở õm là rd= -ΔVE/ΔIE
Khi IE tăng, RB1 giảm trong lỳc RB2 ớt bị ảnh hưởng nờn điện trở liờn nền RBB giảm. Khi IE đủ lớn, điện trở liờn nền RBB chủ yếu là RB2. Kết thỳc vựng điện trở õm là
0 . 2 1 1 > = + = BB BB B B B A V V R R R V h BB B B B B R R R R R 1 2 1 1 = + = h
vựng thung lũng, lỳc đú dũng IE đủ lớn và RB1 quỏ nhỏ khụng giảm nữa (chỳ ý là dũng ra cực nền B1) gồm cú dũng điện liờn nền B cộng với dũng phỏt IE nờn VE khụng giảm mà bắt đầu tăng khi I tăng. Vựng này được gọi là vựng bảo hũa.
Như vậy ta nhận thấy:
Dũng đỉnh IP là dũng tối thiểu của cực phỏt E để đặt UJT hoạt động trong vựng điện trở õm. Dũng điện thung lũng IV là dũng điện tối đa của IEtrong vựng điện trở õm. Tương tự, điện thế đỉnh VP là điện thế thung lũng VV là
Hỡnh 3.31 Vựng hoạt động của UJT
Thớ dụ trong mạch sau đõy, ta xỏc định trị số tối đa và tối thiểu của RE
Hỡnh 3.32 (3.3) P P BB E V V BB V V BB V V BB P P BB P P BB I V V R I V V I V V I V V I V I V V I V V I V - Ê Ê - - = - - - = D D - = - = - - - = D D - = 0 R 0 R Emin Emax
Tỉ số này cũng được định nghĩa khi cực phỏt E để hở. Điện thế đỉnh VPvà dũng điện đỉnh IP. VP giảm khi nhiệt độ tăng vỡ điện thế ngưỡng của nối PN giảm khi nhiệt độ tăng. Dũng IP giảm khi VBB tăng.
Điện thế thung lũng VV và dũng điện thung lũng IV . Cả VV và IV đều tăng khi VBB tăng
Điện thế cực phỏt bảo hũa VEsat: là hiệu điện thế giữa cực phỏt E và cực nền B1 được đo ở IE=10mA hay hơn và VBB ở 10V. Trị số thụng thường của VEsat là 4 volt (lớn hơn nhiều so với diod thường).
Ổn định nhiệt cho đỉnh: Điện thế đỉnh VP là thụng số quan trọng nhất của UJT. Như đó thấy, sự thay đổi của điện thế đỉnh VP chủ yếu là do điện thế ngưỡng của nối PN vỡ tỉ số η thay đổi khụng đỏng kể.
Người ta ổn định nhiệt cho VP bằng cỏch thờm một điện trở nhỏ R2 (thường khoảng vài trăm ohm) giữa nền B2 và nguồn VBB. Ngoài ra người ta cũng mắc một điện trở nhỏ R1 cũng khoảng vài trăm ohm ở cực nền B1để lấy tớn hiệu ra.
Hỡnh 3.33
Khi nhiệt độ tăng, điện trở liờn nền RBB tăng nờn điện thế liờn nền VB2B1. Chọn R2 sao cho sự tăng của VB2B1 bự trừ sự giảm của điện thế ngưỡng của nối PN. Trị của R2 được chọn gần đỳng theo cụng thức:
(3.5) ( ) BB BB V R R . 8 , 0 4 , 0 2 h đ ằ
Ngoài ra R2 cũn phụ thuộc vào cấu tạo của UJT. Trị chọn theo thực nghiệm khoảng vài trăm ohm
3.5. Cỏc linh kiện bỏn dẫn đặc biệt 3.5.1. Thyristor
3.5.1.1. SCR
+ Cấu tạo và kớ hiệu quy ước
a, b. Cấu tạo; c.Sơ đồ tương đương ; d. Kớ hiệu quy ước Hỡnh 3.46: Cấu tạo và kớ hiệu quy ước của SCR
Thyristo được chế tạo từ bốn lớp bỏn dẫn P1 - N1 - P2 - N2 đặt xen kẻ nhau (trờn đế N1 điện trở cao, tạo ra hai lớp P1++ và P2+, sau đú tiếp N2++). Giũa cỏc lớp bỏn dẫn này hỡnh thành cỏc chuyển tiếp p - n lần lượt là J1, J2, J3 và lấy ra ba cực là anốt (A), catốt (K), và cực khống chế (G).
Để tiện cho việc phõn tớch nguyờn lý làm việc của thyristo hóy tưởng tượng 4 lớp bỏn dẫn của thyristo cú thể chia thành hai cấu trỳc transitor p1n1p2 và n1p2n2 như Hỡnh 3.46b với sự nối thụng cỏc miền N1và P2 giữa chỳng. Từ đú cú thể vẽ được sơ đồ tương đương như Hỡnh 3.46c. Kớ hiệu quy ước như Hỡnh 3.46 d
+ Đặc tuyến Vụn - A mpe
Đặc tuyến chia thành bốn vựng rừ rệt. Trước tiờn hảy xột trường hợp phõn cực ngược thyristo với UAK< 0. Đặc tớnh ở đoạn này cú thể coi như của 2 điốt phõn cực ngược mắc nối tiếp (J1và J3). Dũng qua thyristo chớnh là dũng dũ ngược của điốt (giống hệt như dũng ngược bóo hoà của điốt). Nếu tăng điện ỏp ngược dần đến một giỏ trị nhất định thỡ hai chuyễn tiếp J1, J3sẽ lần lượt bị đỏnh thủng theo cơ chế thỏc lũ và cơ chế Zener, dũng ngược qua thyristo tăng lờn đột ngột (dũng này là do cơ chế đỏnh thủng J3 quyết định). Nếu khụng cú biện phỏp ngăn chặn thỡ dũng ngược này sẽ làm hỏng thyristo. Vựng đặc tuyến ngược của thyristo trước khi bị đỏnh thủng gọi là vựng chắn ngược.
giỏ trị này, dũng ICo trong thyristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 và Q2 mở và lập tức chuyển sang trạng thỏi bóo hoà. Thyristo chuyển sang trạng thỏi mở. Nội trở của nú đột ngột giảm đi, điện ỏp sụt trờn hai cực A và K cũng giảm xuống đến giỏ trị UE gọi là điện ỏp dẫn thuận. Phương
Hỡnh 3.47: Đặc tuyến von – ampe của thyristor
phỏp chuyển thyristo từ khoỏ sang mở bằng cỏch tăng dần UAK gọi là kớch mở bằng điện ỏp thuận.
Nếu IG khỏc 0, dũng IG do UGK cung cấp sẽ cựng với dũng ngược vốn cú trong Thyristo ICo làm cho Q2 cú thể mở ngay điện ỏp UAK nhỏ hơn nhiều giỏ trị kớch mở lỳc IG = 0. Dũng IG càng lớn khi thỡ UAK cần thiết tương ứng để mở thyristo càng nhỏ. (ở đõy cũng cần núi thờm rằng cho dự ngay từ đầu tiờn điện ỏp UGK đó cung cấp một dũng IG lớn hơn dũng mở cực tiểu của Q2, nhưng điện ỏp UAK vẫn chưa đủ lớn để phõn cực thuận Q1 và Q2 thỡ thyristo vẫn chưa mở).
Như đặc tuyến đó cho Hỡnh 6.1.2 mức dũng khống chế IG tăng từ IG1 đến G4 tương ứng với mức điện ỏp UAK giảm xuống từ U1 đến U4. Đõy là phương phỏp kớch mở thyristo bằng dũng trờn cực điều khiển. Điện ỏp dẫn thuận UF cú thể viết
UF = UBE1 +UBE2 = UBE2 + UCE1. Đối với vật liệu silic thỡ điện ỏp bóo hoà của transitor silic vào cở 0,2V cong UBE như đó biết vào 0,7V; như vậy suy ra UF = 0,9V. Trờn phần đặc tuyến thuận, phần mà thyristo chưa mở gọi là miền chắn thuận, miền thyristo đó mở gọi là miền dẫn thuận.Quan sỏt miền chắn thuận và miềm chắn ngược của thyristo thấy nú cú dạng giống như đặc tuyến ngược của điốt chỉnh lưu thụng thường.
Sau khi cỏc điều kiện kớch mở kết thỳc, muốn duy trỡ cho thyristo luụn mở thỡ phải đảm bảo cho dũng thuận IF lớn hơn một giỏ trị nhất định gọi là dũng ghim I4 (là giỏ trị cực tiểu của dũng thuận IE). Nếu trong quỏ trỡnh thyristo mở, IG vẫn được duy trỡ thỡ giỏ trị dũng ghim tương ứng sẽ giảm đi khi dũng IG tăng. Trong cỏc sổ tay thuyết minh cỏc nhà sản suất cũn kớ hiệu IHC để chỉ dũng ghim khi cực g hở mạch và HHX để chỉ dũng ghim đặc biệt khi giữa cực G và K được nối với nhau bằng điện trở phõn cực đặc biệt.
+ Cỏc tham số quan trọng của SCR:
- Hai cặp tham số cần chỳ ý khi chọn SCR là dũng điện và điện ỏp cực đại mà thyristo cú thể làm việc khụng bị đỏnh thủng ngược và đỏnh thủng thuận đó trỡnh bày ở phần trờn. điện ỏp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho thyristo chưa mở theo chiều thuận chớnh là điện ỏp thuận, điện ỏp này thường được kớ hiệu là UoM hoặc UFxM đối với trường hợp G nối với điện trở phõn cực. Với ý nghĩa tương tự, người ta định nghĩa điện ỏp chắn ngược cực đại VRoM và IRxM dũng điện thuận cực đại. Cụng suất tổn hao cực đại FaM và cụng suất lớn nhất cho phộp khi thyristo làm việc, điện ỏp cực khống chế UG là mức điện ỏp ngưỡng cần để mở thyristo khi UAK = 6V.
Những tham số vừa nờu trờn thường được cho trong cỏc sổ tay ở nhiệt độ 250. Với cỏc thyristo làm việc ở chế độ xung tần số cao cũn phải quan tõm đến thời gian đúng mở thyristo tm là thời gian chuyễn từ trạng thỏi đúng sang trạng thỏi mở và tq là thời gian chuyển từ trạng thỏi mở sang trạng thỏi đúng của thyristo.
3.5.1.2.GTO
+ Mạch khống chế xung đơn giản
Mạch khống chế đơn xung giản nhất được trỡnh bày như Hỡnh 3.48. Nếu cực G của thyristo trong mạch kể trờn luụn luụn được phõn cực để cho thyristo thụng thỡ vai trũ của thyristo cũng giống như một van chĩnh lưu thụng thường. Khi đặt cực G một chuỗi xung kớch thớch làm thyristo chỉ mở tại những thời điểm nhất định (cựng với chu kỳ dương của điện ỏp nguồn đặt
a. Sơ đồ nguyờn lý ; b. Dạng điện ỏp Hỡnh 3.48: Mạch khống chế xung đơn giản
vào anốt) thỡ dạng điện ỏp ra trờn tải của thyristo khụng phải là toàn bộ cỏc nữa chu kỡ dương như ở cỏc mạch chỉnh lưu thụng thường mà tuỳ theo quan hệ pha giữa xung kớch và điện ỏp nguồn, chỉ cú từng phần của nữa chu kỡ dương như Hỡnh 3.48b
Mạch khống chế pha 900
Hỡnh 3.49: Mạch khống chế pha 900
Dũng kớch mở cực G được lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1. Nếu R1 được điều chỉnh đến giỏ trị điện trở nhỏ thỡ thyristo sẽ mở hầu như đồng thời với nửa chu kỡ dương đặt vào anốt. Nếu R1 được điều chỉnh đến một giỏ trị lớn thớch hợp thỡ thyristo chỉ mở ở nửa chu kỡ dương lỳc eV đến giỏ trị cực đại. Điều chỉnh điện trở R1trong khoảng 2 giỏ trị này thyristo cú thể mở với gúc pha từ 0á 900.Nếu tại gúc pha 900mà IG khụng mở thyristo thỡ nú cũng thể mở được bất cứ ở gúc pha nào vỡ tại gúc pha 900dũng IG cú cường độ lớn nhất.
Mạch khống chế pha 180
Hỡnh 3.50: Mạch khống chế pha 1800
Mạch này tương tự như mạch khống chế pha 900 ở Hỡnh 3.49 chỉ khỏc là thờm vào điốt D2 và tụ C1. Khoảng nữa chu kỡ õm của điện ỏp đặt vào, tụ C1 được nạp theo chiều õm như dạng điện ỏp trỡnh bày trờn Hỡnh 3.50. quỏ trỡnh nạp tiếp diễn tới giỏ trị cực đại của nữa chu kỡ õm. Khi điểm cực đại của nữa chu kỡ õm đi qua điốt D2 được phõn cực õm (vỡ anốt của nú được nối với tụ C1 cú điện thế õm so với catốt). Sau đú tụ C1phúng điện qua điện trở R1. Tuỳ theo giỏ trị của R1 mà C1 cú thể phúng hết (điện ỏp trờn hai cực của tụ bằng 0), ngay khi bắt đầu nữa chu kỡ dương của nguồn đặt vào thyristo, hoặc cú thể duy trỡ một điện ỏp õm nhất định trờn cực của nú cho mói tới gúc pha 1800 của chu kỡ dương tiếp sau đặt vào thyristo. Khi tụ tụ C1tớch điện theo chiều õm thỡ điốt D2 cũng bị phõn cực ngược và xung dương khụng thể đưa vào để kớch mở thyristo. Như vậy bằng cỏch điều chỉnh R1 hoặc C1 hoặc cả hai cú thể làm cho thyristo mở ở bất kỳ gúc nào trong khoảng từ 0 á1800 của chu kỡ dương nguồn điện ỏp đặt vào thyristo
Mạch khống chế pha với điốt chỉnh lưu
Mạch này chỉ khỏc với mạch 3.50 chỉ thay đổi đụi chỳt về kết cấu mạch để được dạng điện ỏp ra trờn tải theo ý mong muốn. Hỡnh 3.51 điốt D3 được mắc thờm vào làm cho trờn tải xuất hiện cả nữa chu kỡ õm của điện ỏp nguồn cung cấp, sự khống chế chỉ thực hiện đối với nữa chu kỡ dương của nguồn
Hỡnh 3.51: Mạch khống chế pha với điốt chỉnh lưu
Mạch khống chế đảo mắc song song
Bằng cỏch mắc như Hỡnh 3.51 ta được mạch chỉnh cú khống chế dũng thyristo mắc song song ngược chiều. Bằng cỏch mắc như vậy cú thể thực hiện khống chế được cả nữa chu kỡ dương lẫn chu kỡ õm.
3.5.2. DIAC
3.5.2.1. Cấu tạo, ký hiệu
Cấu tạo diac tương tự triac nhưng khụng cú cực khống chế G, gồm 2 cực MT1 và MT2 hoàn toàn đối xứng nhau như Hỡnh 7.14. khi lắp vào mạch AC, ta khụng cần phõn biệt thứ tự. Thực tế khi sử dụng Diac, ta nhớ quan tõm hai thụng số: dũng tải và ỏp giới hạn. Thực tế ỏp giới hạn của Diac khoảng 20Vá40V (cụ thể ta tra cứu sổ tay linh kiện để biết chớnh xỏc).Kớ hiệu và đặc tuyến của Diac như
Hỡnh 3.58. Cấu tạo (a), mạch tương đương với cấu tạo (b), (c).
DIAC (Diode Alternative Current) cú cấu tạo gồm 4 lớp PNPN, hai cực A1 và A2, cho
dũng chảy qua theo hai chiều dưới tỏc động của điện ỏp đặt giữa hai cực A1 và A2. DIAC được gọi là cụng tắc bỏn dẫn xoay chiều hai cực (Diode AC Semiconductor Switch).
Cấu tạo của DIAC tương đương bốn BJT mắc như hỡnh 3.58c. Kớ hiệu của DIAC.
Khi A1 cú điện thế dương thỡ J1 và J3 phõn cực thuận J2 phõn cực ngược VCC cú giỏ trị nhỏ thỡ DIAC ở trạng thỏi ngưng dẫn (khúa). Nếu tăng VCC đủ lớn để VD