1.1.8.2 .DỊNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG
4.1.2. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA SUS:
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
Trong hình H4.6 trình bày đặc tính kỹ thuật, các thơng số của họ SUS: 2N4987, 2N4988, 2N4989, 2N4990.
Trong hình H4.7 trình bày sơ đồ mạch
tương đương và ký hiệu của họ SUS cho
trong hình H4.6.
Linh kiện SUS thường dùng trong các mạch tạo xung, mạch kích SCR, làm cảm biến bảo vệ sự cố quá áp . . .
4.2.SCR (SILICON-CONTROLLED RECTIFIER):
Tương tự như diode 4 lớp, SCR cĩ hai trạng
thái hoạt động.Tại trạng thái ngưng dẫn (OFF) linh kiện tác động một cách lý tưởng như mạch hở giữa anod và cathod, do tổng trở nội giữa các cực nêu trên cĩ giá trị vơ cùng lớn.Tại trạng thái dẫn (ON) linh kiện tác động như mạch điện kín giữa anod và cathod, lúc này tổng trở nội (phân cực thuận) cĩ giá trị rất thấp.
SCR được sử dụng nhiều trong các ứng dụng: điều khiển động cơ, mạch định thì, điều khiển
nhiệt, điều khiển pha , điều khiển relay . . . Trong đề mục này chúng ta khảo sát: Cấu trúc cơ bàn và nguyên tắc hoạt động của SCR.
Ký hiệu và mạch tương đương.
Giải thích các đặc tuyến và trình bày các thơng số của SCR. Định nghĩa force commutation.
SCR là linh kiện tạo thành từ 4 lớp bán dẫn p, n ghép liên tiếp nhau và cĩ 3 chân ra :
Anode (A) ; Cathod (K) ; Cổng (Gate – G). Cấu tạo nguyên lý và ký hiệu của SCR được trình bày trong hình H4.8. Hình dạng thực của các loại SCR trình bày trong hình H4.9.
HÌNH H4.7: KÝ HIỆU, MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA SUS
HÌNH H4.8: CẤU TẠO VÀ KÝ HIỆU CỦA SCR
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
4.2.1.MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA SCR:
Tương tự như trường hợp diode 4 lớp,
mạch tương đương của SCR cũng bao gồm
hai transistor npn và pnp liên kết lại với nhau, xem hình H4.10. Ba lớp pnp phía trên cĩ
tác dụng như transistor pnp Q1 ; ba lớp bán dẫn phía dưới npn cĩ tác dụng tương tự như transistor npn Q2 ; hai lớp bán dẫn giữa được
chia xẻ chung cho cả hai transistor.
4.2.1.1.TÁC ĐỘNG SCR DẪN (KÍCH KHỞI SCR):
Giả sử dịng cấp vào cực cổng bằng 0; IG = 0; linh kiện tác động như diode 4 lớp,
lúc này ở trạng thái ngưng dẫn, xem hình
H4.11
Lúc áp ở anod SCR dương hơn áp tại cathod, cấp xung dương dịng điện vào cực cổng, cả hai
transistor chuyển sang trạng thái dẫn.
Quá trình thực hiện như trên được gọi là kích khởi (trigger)
SCR. Tác động kích
khởi SCR được trình bày trong hình H.4.12 và được giải thích như sau:
Khi cấp dịng vào cực cổng, tạo ra dịng
IB2 đến cực nền transistor Q2 chuyển transistor này sang trạng thái dẫn. Như vậy dịng IC2 gia tăng.
Vì dịng cực thu IC2 của transistor Q2 cũng chính là
dịng cực nền của transistor Q1. Nên khi dịng IC2 hay IB1
tăng cũng làm transistor Q1 chuyển sang trạng thái dẫn. Khi Q1 dẫn sẽ tạo ra dịng IC1, dịng cực thu IC1
chính là dịng nền IB2 . Khi IC1 tăng sẽ làm cho transistor Q2 dẫn mạnh hơn. Xem hình H4.12.
Dưới tác động tái sinh như vừa trình bày, Q1 vàQ2 sẽ
chuyển nhanh đến trạng thái dẫn bảo hịa. Tĩm lại linh
kiện sẽ chốt (latches) trạng thái dẫn ngay sau tác động kích khởi. Xem hình H4.13. Trong q trình chốt
trạng thái dẫn tổng trở nội giữa anod và cathod của SCR giảm giá trị xuống đến mức rất thấp.
Chúng ta cần chú ý đến tính chất sau, tương tự như diode 4 lớp SCR cũng cĩ thể chuyển sang trạng thái dẫn bằng cách gia tăng áp đặt ngang qua anod và
cathod cao hơn giá trị áp bẻ gảy VBR(F) tại lúc phân cực thuận, mà khơng cần kích khởi tại cực cổng.
HÌNH H4.10: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA SCR.
HÌNH H4.11: SCR NGƯNG DẪN HÌNH H4.12: KÍCH DẪN SCR.
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
Trong hình H4.14 trình bày đặc tính Volt Ampere khi điều chỉnh thay đổi dịng kích cổng IG . Trong đặc tuyến này giá trị áp VBR(F) sẽ giảm khi tăng giá trị dịng kích cổng IG. Như vậy, thay
đổi dịng kích cổng sẽ điều khiển được giá trị áp VBR(F) để chuyển SCR sang trạng thái dẫn. Măc dù áp giữa anod và cathod vượt cao hơn giá trị áp VBR(F) nhưng khơng làm hư hỏng linh kiện nếu dịng qua linh kiện được giới hạn. Đây là trạng thái cần chú ý và chỉ nên tác động
kích khởi SCR bằng dịng xung vào cực cổng.
4.2.1.2.TÁC ĐỘNG SCR NGƯNG DẪN (TẮT SCR):
Sau khi xung kích khởi đạt giá trị 0 và áp tại cực cổng là 0 V, SCR cĩ thể ngưng dẫn khi hoạt động trong vùng dẫn phân cực thuận. Dịng anod qua linh kiện phải giảm thấp hơn giá trị của dịng duy trì IH để cĩ thể đạt được trạng thái SCR ngưng dẫn hay tắt SCR.
Cĩ hai phương pháp cơ bản dùng tắt SCR: Ngắt dịng anod
Nghịch lưu cưởng bức
Với phương pháp ngắt dịng anod, chúng ta cĩ thể lắp nối tiếp hay song song khĩa điện tác động kéo dài trong khoảng thời gian ngắn như trong hình H4.15.
Trong hình H4.15 a, tác động của khĩa điện nối tiếp làm mất dịng anod qua
linh kiện để dịng anod giảm xuống đến giá trị 0 (thấp hơn giá trị dịng duy trì) SCR sẽ tự
động tắt.
Trong hình H4.15 b, tác động của khĩa điện đấu song song với SCR làm dẫn
hầu hết dịng qua tải đi qua khĩa, làm giảm nhanh dịng anod đến giá trị 0 (thấp hơn giá
trị dịng duy trì) SCR cũng sẽ tự động tắt.
Phương pháp nghịch lưu cưỡng bức cơ bản cần tạo dịng qua SCR ngược hướng với
dịng dẫn thuận trong thời gian ngắn để làm dịng điện thuận giảm thấp hơn dịng duy trì.
Mạch điện thực hiện nghịch lưu cưỡng bức để tắt SCR trình bày trong hình H4.16.
HÌNH H4.14: Đặc tính Volt Ampere của SCR khithay đổi dịng kích khởi IG vào cực cổng .
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
Mạch nghịch lưu cưởng bức cơ bản gồm một khĩa điện (khĩa điện là transistor hoạt động theo chế độ đĩng ngắt) nối tiếp với nguồn áp DC (pin hay accu). Tồn bộ mạch điện nêu trên đấu song song với SCR, xem hình H4.16.
Khi SCR đang dẫn khĩa điện ở trạng thái
hở mạch, hình H4.16a.
Để tắt SCR (làm SCR ngưng đẫn), đĩng khĩa K đặt nguồn áp song song với SCR hình thành dịng ngược qua linh kiện, hình H4.16b. Với phương pháp này thời gian tắt (turn-ogg times) SCR khoảng vài micro giây đến 30 µs.
4.2.2.ĐẶC TÍNH VÀ CÁC THƠNG SỐ CỦA SCR:
Các đặc tính và thơng số định mức của SCR được định nghĩa như sau, trong đĩ dùng đặc tính Volt Ampere trong hình H4.14 tham chiếu.
ÁP BẺ GẢY PHÂN CỰC THUẬN (VBR(F))
VBR(F) là điện áp tại vị trí SCR bắt đầu chuyển sang vùng dẫn phân cực thuận. Giá trị VBR(F) cực đại khi dịng kích cổng IG = 0 và được ký hiệu là VBR(F0).
Khi dịng IG gia tăng áp VBR(F) giảm tương ứng. Ta ký hiệu VBR(F1) ; VBR(F2) tương ứng với IG1 ; IG2 DỊNG DUY TRÌ IH (HOLDING CURRENT)
IH là giá trị dịng anod thấp nhất cho phép SCR bắt đầu chuyển hoạt động từ vùng dẫn phân cực thuận sang vùng ngưng dẫn phân cực thuận.
Dịng duy trì sẽ giảm thấp giá trị khi tăng dịng kích cổng IG . Dịng duy trì đạt giá trị cao nhất lúc dịng IG = 0 .
DỊNG KÍCH CỔNG IGT (GATE TRIGGER CURRENT)
IGT là giá trị dịng kích cổng cần thiết để SCR chuyển hoạt động từ vùng ngưng dẫn phân cực thuận sang vùng dẫn phân cực thuận dưới các điều kiện tương ứng định trước.
DỊNG THUẬN TRUNG BÌNH IF(avg) (AVERAGE FORWARD CURRENT)
IF(avg) là giá trị tối đa của dịng anod liên tục qua SCR (dịng DC qua SCR) để linh kiện duy trì trạng thái dẫn dưới các điều kiện tương ứng định trước.
VÙNG DẪN THUẬN (FORWARD – CONDUCTION REGION)
Đây là vùng trên đặc tuyến Volt Ampere cĩ quan hệ đến trạng thái dẫn của SCR, trong vùng này dịng thuận đi từ anod đến cathod thơng qua tổng trở cĩ giá trị rất bé.
VÙNG NGƯNG DẪN THUẬN VÀ VÙNG NGƯNG DẪN NGHỊCH
(FORWARD – BLOCKING REGION; REVERSE – BLOCKING REGION )
Đây là các vùng trên đặc tuyến Volt Ampere cĩ quan hệ đến trạng thái ngưng dẫn của
SCR, trong vùng này dịng thuận đi từ anod đến cathod bị cản trở thơng qua tổng trở cĩ giá trị vơ
cùng lớn, tương đương trạng thái mạch hở.
ÁP BẺ GẢY TRẠNG THÁI PHÂN CỰC NGHỊCH (REVERSE – BREAKDOWN VOLTAGE)
Đây là giá trị áp đặc biệt xác định giữa cathod và anod khi SCR phân cực nghịch, tại vị trí này linh kiện tạo ra hiện tượng thác và bắt đầu dẫn rất mạch (tương tự như trường hợp diode).
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
4.2.3. MỘT SỐ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SCR:
SCR được sử dụng rộng rãi trong lãnh vực điện tử cơng suất dùng điều khiển cơng suất, các ứng dụng đĩng ngắt mạch ( khí cụ điện bán dẫn). . . Một số các áp dụng cơ bản được mơ tả trong chương này bao gồm:
Điều khiển dịng qua tải.
Điều khiển cơng suất mạch chỉnh lưu bán kỳ. Điều khiển pha.
Áp dụng trong hệ thống đèn khẩn cấp khi mất nguồn lưới chính. Mạch bảo vệ quá áp.
4.2.3.1.TÁC ĐỘNG ĐĨNG NGẮT MẠCH DC DÙNG SCR:
Trong hình H4.17 trình bày mạch dùng SCR
cho phép đĩng mạch cấp dịng cho tải bằng cách dùng các khĩa SW1 và SW2 .
Giả sử ban đầu SCR ở trạng thái ngưng dẫn, tác động đĩng kín mạch trong khồng thời gian ngắn bằng khĩa SW1 để tạo dịng xung vào cực cổng ; tác động kích cổng làm SCR dẫn cấp dịng qua tải RL. Khi SCR đã dẫn, dù cho khĩa SW1 ở trạng thái hở SCR tiếp tục duy trì trạng thái dẫn nếu dịng qua tải cĩ giá trị lớn hơn dịng duy trì IH.
Sau khi SCR đã chuyển sang trạng thái dẫn
và khĩa SW1 đang ở trạng thái hở, nếu khĩa SW2 được đĩng kín mạch trong khoảng thời gian ngắntạo thành dịng rẽ nhánh song song song với dịng anod qua SCR. Như vậy, dịng anod qua SCR sẽ giảm thấp dưới giá trị dịng duy trì IH , SCR chuyển sang trạng thái ngưng dẫn ngắt dịng qua tải RL.
THÍ DỤ 4.2:
Xác định dịng anod và dịng qua cực cổng khi khĩa SW1 trong mạch hình H4.18 được đĩng kinh trong khoảng thời gian ngắn.
Giả sử áp VAK = 0,8 V ; VGK = 0,7 V và dịng duy trì IH = 20 mA .
GIẢI:
Dịng kích cổng được xác định theo quan hệ: G TRIG GK G V V 3 V 0,7 V I 4,1mA R 560
Dịng anod qua tải:
A AK A A V V 24 V 0,8 V I 23,2 mA R 1 k
Giá trị dịng anod qua SCR lớn hơn dịng duy trì IH = 20 mA nên SCR duy trì trạng thái dẫn sau khi được kích dẫn bằng cách cấp dịng vào cực cổng.
HÌNH H4.17
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010 4.2.3.2.ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT CHỈNH LƯU BÁN KỲ:
Một áp dụng thơng dụng của SCR là điều khiển cơng suất mạch xoay chiều : chỉnh độ sáng đèn chiếu sáng (lamp dimmer); điều khiển cơng suất phần từ nhiệt ; chỉnh tốc độ động cơ . . .Trong hình H4.18 trình bày mạch điều khiển pha dạng bán kỳ cơ bản dùng điều chỉnh cơng suất cấp đến điện trở Tải RL . Phần tử RL cĩ thể là phần tử đốt nĩng hay tim của đèn thắp sáng.
Điện trở R1 dùng giới hạn dịng phối hợp với biến trở R2 dùng chỉnh định mức kích khởi của SCR.
Bằng phương pháp điều chỉnh điện
trở R2 cĩ thể kích khởi SCR tại bất kỳ thời điểm nào trong phạm vi từ 0o đến 90o trong bán kỳ dương của áp xoay chiều, xem hình H4.19.
Khi kích khởi SCR tại gĩc kích 0okhoảng dẫn của SCR xấp xỉ 180o trong bán kỳ dương, xem hình H4.19a.Tại trường hợp này cơng suất tác dụng cấp cho Tải đạt giá trị tối đa.
Khi kích khởi SCR tại gĩc kích 90okhoảng dẫn của SCR xấp xỉ 90o trong bán kỳ dương, xem hình H4.19b. Với khoảng dẫn này cơng suất tác dụng cấp cho Tải giảm thấp hơn so với trường hợp SCR được kích dẫn với khoảng dẫn rộng hơn.
Nhiệm vụ của diode nối trên cực cổng ngăn khơng cho điện áp xoay chiều bán kỳ âm tác động đến cực cổng của SCR. Do đĩ tại bán kỳ âm của áp xoay chiều , SCR ở trạng thái ngưng dẫn, nên khơng cĩ dịng qua điện trở Tải.
Điều quan trọng cần chú ý: Mạch áp dụng SCR điều khiển cơng suất tác dụng tiêu thụ trên Tải
trong hình H4.18 cĩ tính chất nguyên lý. Cơng dụng cũa mạch nhằm giúp sinh viên hiểu được ứng dụng của linh kiện SCR. Với mạch kích cổng SCR dùng cầu phân áp bằng điện trở thường cho gĩc kích dẫn khơng hồn tồn chính xác trên từng bán kỳ dương, đặc biệt là trong trường hợp điện trở Tải cĩ giá trị bé. Muốn điều chỉnh gĩc kích dẫn SCR chính xác hơn cần áp dụng các mạch kích cĩ dạng phức tạp hơn với các linh kiện chủ động khác. Các nội dung này được khảo sát chi tiết hơn trong mơn Điện Tử Cơng Suất.
4.2.3.3.HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG DỰ PHỊNG DUY TRÌ HOẠT ĐỘNG KHI MẤT NGUỒN ĐIỆN LƯỚI:
Một ứng dụng khác của SCR là mạch duy trì hoạt động của đèn thắp sáng (loại đốt tim) bằng nguồn acquy dự phịng khi nguồn điện lưới chính cĩ sự cố (mất điện). Trong hình H4.20
dùng biến áp cách ly thứ cấp cĩ điểm giữa tạo thành mạch chỉnh lưu hai bán kỳ để cấp nguồn
cho đèn đốt tim. Ngồi ra khi nguồn điện lưới tồn tại, lúc khơng sự cố, acquy được nạp điện thơng qua diode D3 và điện trở R1 .
HÌNH H4.18 :
Gĩc kích SCR cho khoảng dẫn 180o Gĩc kích SCR cho khoảng dẫn 90o
STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN: NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
Khi nguồn điện lưới xoay chiều ổn định khơng sự cố , ta cĩ nhận xét như sau:
Điện áp giữa cathod và cực cổng của SCR được tạo nên khi tụ nạp điện tích đến giá trị gần bằng giá trị đỉnh của áp xoay chiều cấp vào mạch chỉnh lưu. Trong hình H4.20 mức điện áp đặt ngang qua hai đầu tụ lớn hơn 6V (với áp hiệu dụng của mỗi bộ dây thứ cấp là 6,3V sau khi trừ đi áp rơi ngang qua diode D1 lúc dẫn thuận và điện trở R2 ).
Điện áp giữa anod và cổng của SCR là 6V, áp của bình acquy .
Như vậy trong trường hợp này điện thế tại cathod dương hơn so với anod nên SCR ở trạng thái ngưng dẫn.
Tại trạng thái này SCR ngưng dẫn đèn đốt tim được thắp sáng qua mạch chỉnh lưu .
Khi nguồn điện lưới chính bị mất, điện áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu bằng 0V; tụ xả điện tích theo đường R1 ; D3 và R3 . Điều này dẫn đến điện thế tại anod SCR dương hơn so với cathod. Tác động này hình thành trạng thái kích khởi cho SCR, cầu phân áp R3 và R2 lấy áp từ acquy tạo thành kích cổng cho SCR làm SCR chuyển sang trạng thái dẫn.
Khi SCR dẫn acquy cấp dịng đến đèn đốt tim duy trì trạng thái thắp sáng của đèn.
Khi nguồn điện lưới cĩ lại ổn định, tụ nạp lại điện tích và tác động khĩa SCR và acquy tiếp tục được nạp điện trở lại.
4.2.3.4.MẠCH BẢO VỆ QUÁ ÁP DÙNG SCR:
Trong hình H4.21 trình bày một dạng mạch đơn giản dùng bảo vệ quá áp cho nguồn DC . Điện áp từ ngõ ra của mạch ổn áp trong bộ nguồn DC được cấp vào diode Zener nối tiếp với cầu phân áp R1 và R2 . Điện áp giới hạn mức ngưỡng cao của áp DC ra được điều chỉnh bằng điện áp Zener của diode Zener. Khi điện áp ngõ ra bộ nguồn DC vượt lên trên mức ngưỡng cao, diode Zener dẫn tạo thành dịng kích khởi vào cực cổng của SCR thơng qua cầu phân áp. Khi SCR dẫn, tác động như khĩa điện tạo thành mạch kín làm tăng dịng qua cầu chì dẫn đến sự cố phá hủy cầu chì ; tách ly nguồn xoay chiều cấp vào biến áp,
Trạng thái nguồn lưới ổn định Trạng thái nguồn lưới cĩ sự cố (mất điện)