4.3 .CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIỐT
4.6. DIAC – SCR – TRIAC
4.6.1. Điăc
Diac được viết tắt bởi diod AC semiconductor switch ( cơng tắc bán dẫn xoay chiều hai cực).
- Cấu tạo: Diac cĩ cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp như một
transistor nhưng chỉ ra cĩ hai chân nên chỉ xem như một transistor khơng cĩ cực nền. Hai cực ở đầu được gọi là MT1 và MT2 và do tính chất đối xứng của Diac nên khơng cần phân biệt MT1 và MT2.
52
- Ký hiệu và hình dạng:
Hình: a) Cấu tạo và ký hiệu b) Hình dạng
- Nguyên lý hoạt động:
- Vì khơng cĩ cực điều khiển nên chúng được kích mở bằng cách nâng cao
điện áp đặt vào hai cực. DIAC khơng dẫn điện cho đến khi điện áp được nâng cao đến mức nhất định (thường là breakover).
- Khi MT2 cĩ điện thế dương so với MT1 thì Diac mở. Lúc này, MT2 đĩng
vai trị anode, MT1 đĩng vai trị cathode. Dịng điện chạy từ MT2 sang MT1.
- Khi MT2 cĩ điện thế âm so với MT1 thì Diac mở. Lúc này, MT1 đĩng vai
trị anode, MT2 đĩng vai trị cathode. Dịng điện chạy từ MT1 sang MT2.
53
4.6.2. Thyristor (SCR)
Thyristor và triac được xem là dụng cụ đĩng cắt cơng suất lớn với tốc độ cực nhanh. Là những dụng cụ bán dẫn cĩ thể làm việc được ở điện áp cao hàng trăm vơn, với dịng điện hàng ngàn ampe. Loại dụng cụ này cĩ thể thay thế cơng tắc tơ hoặc rơ le trong các thiết bị cơng suất lớn dùng nguồn một chiều và nguồn xoay chiều chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dận dụng cũng như trong cơng nghiệp: điều khiển động cơ, điện điện, dụng cụ đốt nĩng, tín hiệu baĩ động…
4.6.2.1. Cấu tạo:
Hình 3.23: Cấu tạo của SCR
Gồm cĩ bốn lớp bán dẫn khác loại đặt liền nhau: P-N-P-N. Hai lớp ngồi cùng gọi là hai miền phát. Miền phát P gọi là Anốt (A), cịn miền phát N gọi là Katốt (K), hai lớp giữa gọi là miền gốc. Tiếp giáp giữa hai miền gốc gọi là lớp gốc, tiếp giáp giữa hai miền gốc và miền phát gọi là lớp phát .
A: anode K: cathode G: gate
- Kí hiệu, hình dạng :
54
4.6.2.2. Nguyên lí hoạt động thyristor
Để phân tích nguyên lý làm việc của SCR ta cĩ thể xemm SCR như mạch tương đương biểu diễn qua transistor (hình vẽ 3.22). Mạch này tạo từ 2 transistor thành phần nối với nhau sao cho dịng gĩp của transistor Q1 (npn) cấp cho dịng gốc của transistor Q2 (pnp); đơng thời dịng gĩp của Q2 lại cấp cho dịng gốc của Q1
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mắc dây và sơ đồ tương tương của SCR
1. Trường hợp cực G để hở (hay VG =0)
Khi cĩ VG=0 nghĩa là Q1 khơng cĩ phân cực B nên Q1 ngưng dẫn. Khi này IB1=0, IC1=0, nên IB2=0 và Q2 cũng ngưng dẫn. Vậy trong trường hợp này SCR khơng dẫn điện được, dịng điện qua SCR là IA=0 và VAK VCC. Khi vậy khi tăng áp nguồn Vcc lên mức đủ lớn làm điện áp VB0 thì điện áp VAK giảm xuống và dịng IAtăng nhanh. Lúc này SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dịng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dịng điện duy trì IH. Sau đĩ đặc tính của SCR như một diode.
2. Trường hợp G cĩ VAK>0
Khi đĩng cơng tắc để cấp nguồn VDC đã được giảm qua RG thì SCR dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc này Q1 được phân cực ở cực B nên cho điện IG vào cực cổng- chính là dịng IB1 làm cho Q1 dẫn cho ra dịng điện ICI –chính là dịng IB2 nên lúc đĩ Q2 cũng dẫn điện và cho ra dịng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho Q1 và do đĩ mà SCR tự duy trì trạng thái dẫn mà khơng càn cĩ dịng IG liên tục.
Ta cĩ: IC1= IB2.và IC2= IB1. Theo nguyên lý dịng điện qua 2 transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và Q1, Q2 sẽ hoạt động ở trạng thái bảo hịa. Khi này điện áp VAK giảm đi rất nhỏ ( 0,7V) và dịng điện qua SCR là:
IA (VCC- VAK)/RLVCC/RL
Qua thực nghiệm cho thấy khi dịng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì điện áp VB càng thấp tức là SCR càng dễ dẫn điện ( hình 3.23) là đặc tính của SCR với 3 trường hợp IG = 0 và IG2>IG1>0.
55
Phân cực ngược của SCR là nối cực A vào cực âm của cực K vào cực dương của nguồn VCC. Trường hopwj này giống như một diode bị phân cực ngược; SCR sẽ khơng dẫn điện mà cĩ một dịng điện nhỏ rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện áp ngược đủ lớn thì SCR sẻ bị đánh thủng và dịng điện qua theo chiều ngược. Điện áp ngược đủ để đánh thủng SCR là VBR. Thơng thường trị số VBR và VB0 bằng nhau và ngược dấu.
- Thơng số kỹ thuật
Khi sư dụng SCR phải biết các thơng số kỹ thuật quan trọng để trách làm hư hỏng do
dùng sai hay vượt quá các giới hạn cho phép.
1. Dịng điện thuận cực đại (IAmax hay Ifmax)
Đây là dịng điện cực đâị lớn nhất qua SCR mà SCR cĩ thể chịu đựng được liên tục, giá trị số này SCR sẽ bị hư. Khi SCR dẫn điện VAK khoảng 0,7v đến 1v nên dịng điện thuận qua SCR cĩ thể tính theo cơng thức IA=(VCC-0,7V)/ RL.
2. Điện áp ngược cực đại (VBR)
Đây là điện áp ngược lớn nhất cĩ thể đặt vào giữa A và K mà SCR chưa bị đánh thủng, nếu vượt quá trị số này SCR sẽ bị phá hủy. Điện áp ngược của SCR thường từ 100V đến 100V.
3. Dịng kích cực G cực tiểu (IG min)
Để SCR ĩc thể dẫn điện tỏng trường hợp cĩ điện áp VAK thấp thì phải cĩ dịng điện kích cho cực G. Dịng IGmin là trị số dịng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển cho SCR dẫn điện. Dịng điện IGmin cĩ trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cơng suất của SCR. Thơng thường IGmin từ 1mA đền vài chục mA.
4. Thời gian mở của SCR
Là thời gian cần thiết hay độ rộng xungcủa xung kích để SCR cĩ thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Thời gian mở vài micro giây.
5. Thời gian tắt
Theo nguyên lý SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích. Muốn SCR đang ở trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng thì IG=0 vafcho điện áp VAK=0. Để SCR cĩ thể tắt được thì thời gian cho VAK phải đủ dài, nếu khơng thì SCR sẽ dẫn điện lại ngay. Thời gian tắt của SCR khoảng vài chục micro giây.
56
Hình 3.26: Đường đặc tuyến vơn – ampe của SCR
IG = 0 ; IG2 > IG1 > IG
4.6.2.4. Ứng dụng : Được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực bán dẫn để thành lập các
sơ đồ nắn điện cơng suất lớn, các sơ đồ tự động khống chế trong mạch điện.
1. Mạch điều khiển tốc độ động cơ
Trong mạch điện động cơ M là động cơ vạn năng, loại động cơ cĩ thể dùng điện AC hay DC. Dịng điện qua động cơ là dịng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi gĩc kích của dịng IG. Khi Thyristor chưa dẫn thì chưa cĩ dịng qua động cơ, diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR. Điện áp cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2 – R3.
Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là VG = 1V và dịng điện kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phải khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua VR với hằng số thời gian là : T = (R1 + VR)C. Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm cĩ dịng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của Thyristor tức là thay đổi dịng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ thay đổi.
57
Khi dịng AC cĩ bán kỳ âm thì diode D và Thyristor đều bị phân cực nghịch nên diode ngưng dẫn và Thyristor cũng chuyển sang trạng thái ngưng dẫn.
Ưu điểm:
Một số ưu điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR): Cĩ thể xử lý điện áp, dịng điện và cơng suất lớn.
Cĩ thể được bảo vệ bằng cầu chì. Rất dễ bật.
Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) rất đơn giản.
Rất đơn giản để kiểm sốt. Chi phí thấp.
Nĩ cĩ thể điều khiển nguồn xoay chiều.
Nhược điểm:
Một số nhược điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):
Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là thiết bị một chiều, vì vậy nĩ chỉ cĩ thể điều khiển cơng suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Do đĩ chỉ cĩ nguồn một chiều được điều khiển bằng thyristor.
Trong mạch xoay chiều, nĩ cần phải được bật trên mỗi chu kỳ. Khơng thể sử dụng ở tần số cao.
Dịng điện ở cổng (gate) khơng thể âm.
58 THỰC HÀNH 1. Nhận dạng và kiểm tra SCR - Linh kiện: SCR (5P4M, BT151) + Cách xác định chân của SCR Bước 1: Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω ,
Bước 2: Thực hiện 6 lần đo và chỉ cĩ 1 lần kim đồng hồ lên thì que đen là chân G, que đỏ là chân K và chân cịn lại là chân A
+ Đo kiểm tra Thyristor
Bước 1 :Đặt động hồ thang x1 Ω .
Bước 2 : Đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim khơng lên. Bước 3 : Dùng Tovit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ lên kim ,sau đĩ bỏ Tovit ra => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt.
2. Khảo sát hoạt động của SCR
- Lắp mạch như hình vẽ:
- Khảo sát hoạt động của SCR theo hướng dẫn của gv
- Nhận xét ........................................................................................................ ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... .........................................................................................................................
59
Qui trình lắp mạch:
Bước 1: Lựa chọn và kiểm tra linh kiện Bước 2: Lắp mạch theo sơ đồ
Bước 3: Kiểm tra và hiệu chỉnh Bước 4: Cấp nguồn, thử mạch
4.6.3. TRIAC (TRIODE AC SEMICONDUCTOR SWITCH- Cơng tắc bán dẫn xoay chiều 3 cực)
Triac là hai thyristor ghép đối song (song song đối đầu) và cĩ chung một cực điều khiển. Vậy triac đưa ra ngồi 3 chân: hai chân đầu cuối gọi là MT2, MT1, và một chân là cực G.
Kí hiệu, hình dạng :
Hình 3.27: Kí hiệu của triac
Nguyên lí làm việc:
Theo cấu tạo một triac được xem như 2SCR đấu song song và ngược chiều, vì vậy khi khảo sát đặc tính của triac ta xem như khảo sát trên 2 SCR
+ Khi cực MT2 cĩ điện áp dương và cực G được kích xung dương thì triac dẫn điện theo chiều từ MT2 qua MT1 ( hình vẽ 3.25)
60
+ Khi cực MT2 cĩ điện áp âm và cực g được kích bởi xung âm thì triac được dẫn theo chiều từ MT1qua MT2 ( hình 3.26).
Hình 3.29: Cực MT2 cĩ điện áp âm
+ Khi triac được dùng trong mạch điện xoay chiều thì nguồn cĩ bán cực dương cực G cần được kích xung dương, khi nguồn cĩ bán kỳ âm thì cực G được kích xung âm. Triac cho dịng điện đi qua cả 2 chiều. Khi đã dẫn điện thì điện áp trên 2 cực MT1,MT2 rất nhỏ nên được xem là cơng tắc bán dẫn đùn trong mạch điện xoay chiều.
Hình 3.30: Triac dùng trong mạch điện xoay chiều
5. Đường đặc tuyến vơn – ampe của triac
61
Thao đúng nguyên lý của triac thì triac dẫn điện cần được kích xung dương khi MT2 cĩ điện áp xung dương và cần được kích xung âm khi MT2 cĩ điện áp xung âm
Thực tế triac cĩ thể được kích bằng 4 cách như hình vẽ 3.29. Trong đĩ các cách thứ nhất và cách thứ hai gọi là cách thuận vì thực hiện theo đúng nguyên lý, do đĩ chỉ cần dịng điện kích trị số nhỏ hơn so với các cách thứ 3 và cách thứ 4.
Hình 3.32: Các cách kích Triac
6. Ứng dụng :
Được sử dụng trong điện tử viễn thơng và điện tử dân dụng : Kiểm tra và điều khiển tốc độ của mơtơ điện .
Kiểm tra và điều khiển nhiệt độ .
Kiểm tra và điều khiển cường độ ánh sáng . Làm các mạch quét trong màn hình vơ tuyến .
THỰC HÀNH
1. Nhận dạng và kiểm tra TRIAC
- Linh kiện: Triac (BT 136, BT137, BT138)
- Xác định chân và hư hỏng của Triac
Bước 1 : Đặt VOM ở thang Rx1.
Bước 2 :Ta đặt que đo vào một chân cố định, cịn que cịn lại đảo gữa hai chân cịn lại nếu kim khơng lên thì ta đảo hai que đo với nhau và đo như trên kim khơng lên thì chân cố định là chân MT2. Ta đặt que đen vào chân A và que đỏ vào một trong hai chân cịn lại, sau đĩ lấy dây nối gữa chân T2 kích với chân cịn lại (chân khơng đặt que đỏ). Nếu kim lên và thả ra kim tự giữ thì chân đĩ là chân G. Chân cịn lại là chân T1
2. Khảo sát hoạt động của triac:
- Lắp mạch như hình vẽ. Nhấn cơng tắc S, buơng tay ra đèn vẫn sáng thì triac
cịn tốt + - + - + - + - G G G G MT1 MT2 MT1 MT2 MT1 MT2 MT1 MT2 + - - + b c d a
62
3. Lắp mạch điều khiển đèn dùng Triac
Qui trình lắp mạch:
Bước 1: Lựa chọn và kiểm tra linh kiện Bước 2: Lắp mạch theo sơ đồ
Bước 3: Kiểm tra và hiệu chỉnh Bước 4: Cấp nguồn, thử mạch
63
Bài 5 : MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSISTOR
Khái niệm về mạch khuếch đại: Mạch khuếch đại cĩ tính chất là khi ta
đưa vào một tín hiêự nhỏ, ở ngõ ra sẽ xuất hiện một tín hiệu cĩ biên độ lớn hơn nhiều lần .
Ba chế độ khuếch đại cơ bản : - Khuếch đại điện áp
Hệ số khuếch đại : Kv = Vout/Vin - Khuếch đại dịng điện Hệ số khuếch đại : Ki = Iout/Iin
- Khuếch đại cơng suất
Hệ số khuếch đại : Kp = Pout/Pin = Ki . Kv
5.1. Mạch khuếch đại đơn.
5.1.1. Mạch khuếch đại mắc theo kiểu E chung
Sơ đồ mạch :
Hình 4.1: Mạch khếch đại mắc theo kiểu E chung
R1,R2 : Cầu phân áp phân cực cho transistor .
R3 : điện trở lấy điện cấp cho cực C của transistor , và cũng là trở gánh của transistor .
R4 : nhằm ổn định nhiệt .
C1,C2 : tụ liên lạc để đưa tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra . C3 : tụ thốt thành phần xoay chiều từ cực E xuống mass . C4 : tụ lọc điện nguồn .
Hệ số khuếch đại dịng điện:
iIn = iB (i là dịng xoay chiều) . Kiểu ráp E chung cĩ khả năng khuếch đại dịng điện.
64 hệ số khuếch đại: ki = β = ic/ib
Hệ số khuếch đại điện áp:
Kv = Vout/Vin = ic.Rc/ib.Ri = βRc/Ri. (Do ic = βib) . Mạch ghép kiểu E chung cĩ khả năng khuếch đại điện áp .
Hệ số khuếch đại cơng suất
Do mạch vừa khuếch đại dịng điện , vừa khuếch đại điện áp nên cĩ khả năng khuếch đại cơng suất.
Hệ số khuếch đại: Kp = Pout/Pin
Độ lệch pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào
Khi ở ngõ vào cĩ bán kỳ dương thì ở ngõ ra cĩ bán kỳ âm và ngược lại , nghĩa là điện áp của tín hiệu ngõ ra đảo pha so với điện áp tín hiệu ngõ vào.
Hình 4.2. Dạng sĩng của mạch khuếch đại E chung
5.1.2. Mạch khuếch đại mắc theo kiểu B chung
Sơ đồ mạch :
Hình 4.3: Mạch khuếch đại mắc theo kiểu B chung
65 R3: điện trở cấp dịng cho cực C .
R4: điện trở cực E .
C1,C2: tụ liên lạc đưa tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra . C3: nối tắt thành phần xoay chiều từ cực B xuống mass .
Hệ số khuếch đại dịng điện
Ki = iout/iIn = ie/iIn ≈ 1 Do : IE = ic + ib ≈ ic
Vậy kiểu ráp b chung khơng khuếch đại dịng điện .
Hệ số khuếch đại điện áp
Kv = Vout/Vin
Mạch cĩ khả năng khuếch đại điện áp .
Hệ số khuếch đại cơng suất