Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 7: Thyristor

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 7: Thyristor

1. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 7. Thyristor 1. Hiệntượng trễ 2. ĐiốtShockley 3. DIAC 4. Cấukiệnchỉnh lưucóđiều khiển Silic - SCR (Silicon- Controlled Rectifier) 5. TRIAC 6. Transistor đơnnối – UJT (Unijunction Transistor) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 1 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
2. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Hiệntượng trễ ƒ Thyristor thuộclớpcấukiệnbándẫncótrễ. Do đặc tính trễ mà một hệ thống sẽ không trở về trạng thái ban đầu sau khi nguyên nhân gây ra sự thay đổitrạng thái không còn nữa ƒ Thyristor là cấukiệnbándẫncóxuhướng ở trạng thái “mở”mỗikhi đượcbật, và có xu hướng ở trạng thái “tắt” mỗikhiđượctắt. Mộtsự kiệnnhấtthờicóthể lật thyristor sang trạng thái “mở”hoặctrạng thái “tắt” và nó sẽ tự duy trì ở trạng thái đóthậm chí sau khi nguyên nhân gây ra sự thay đổitrạng thái không còn nữa ƒ Do đó Thyristor đượcsử dụng như mộtcấukiệnchuyểnmạch bật/tắt và nó không thểđượcsử dụng như là mộtbộ khuếch đạitínhiệu tương tự GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
3. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Điốt Shockley (1) ƒ Khởi đầu cho việcchế tạo ra thyristor bắt nguồntừ mộtcấukiện có tên là điốt4 lớp, còn gọi là PNPN điốt, hay điốt Shockley ƒ Một điốt Shockley bao gồm 2 transistor lưỡng cực, một transistor PNP và một transistor NPN mắcvới nhau như hình vẽ 7.1 Anốt Anốt Catốt Catốt Sơđồvậtlý Sơđồtương đương Ký hiệu Hình 7.1 - Điốt Shockley: Sơđồvật lý, Sơđồtương đương, Ký hiệu GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
4. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Điốt Shockley (2) Nguyên lý hoạt động: ƒ Cấpnguồn cho mạch tương đương của điốt Shockley như h/vẽ ƒ Khi không có điệnápcủanguồn cung cấp → không có dòng điện ƒ Khi U bắt đầutăng lên thì vẫnsẽ không có dòng điệnbởivì không có transistor nào ở chếđộdẫn(mở): cả hai transistor sẽ đều ở chếđộngắt ƒ Dòng cựcgốcchảy qua transistor ở phía dưới được điềukhiểnbởi transistor ở phía trên, và dòng cựcgốcchảy qua transistor ở phía trên được điềukhiểnbởi transistor ở phía dưới. Nói cách khác chẳng transistor nào có thể dẫn điện cho đến khi transistor kia dẫn (hình 7.2) Hình 7.2 GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
5. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Điốt Shockley (3) ™ Vậylàmthế nào mà một điốt Shockley có thể dẫn điện? ƒ Nếu hai transistor thật đượcnối theo kiểu để tạoramột điốt Shockley thì mỗi transistor sẽ dẫn khi có một điệnápđủ lớngiữaanốt và catốt để khiếnmột trong số chúng thoát ra khỏitrạng thái ngắt ƒ Mỗi khi một transistor thoát ra khỏitrạng thái ngắtvàbắt đầudẫn, nó sẽ cho phép dòng cựcgốcchảy qua transistor còn lại làm cho transistor này dẫn điện theo cách thông thường, và sau đó cho phép dòng cựcgốcchạy qua transistor đầu tiên. Cuối cùng thì cả hai transistor sẽđều bão hoà và sẽ giữ cho nhau ở trạng thái dẫn (on) thay vì ở trạng thái ngắt (off). ™ Nhưng làm cách nào để hai transistor lạitrở lạitrạng thái ngắt? ƒ Giảm U cung cấptớimộtgiátrị rấtnhỏ sao cho chỉ có dòng điệnrấtnhỏ chảy qua các cựccủa transistor → một trong hai transistor sẽ ngắt, dẫn đếnviệclàmngưng dòng cựcgốcchảy qua transistor kia, khiến cho cả hai transistor đềurơivàotrạng thái ngắt GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
6. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Điốt Shockley (4) ƒ Đặctuyến Vôm/Ampe là đường trễ kinh điển, khi tín hiệu điện áp đầuvàotăng lên và giảmxuống, dòng điện đầu ra không đi theo cùng một con đường đixuống giống như khi nó đilên ƒ Điốt Shockley có xu hướng duy trì ở trạng thái dẫn (on) mộtkhi nó đãdẫn điện, và ở trạng thái tắtmột khi nó đãngắt điện. Không có chếđộ“ở giữa” hay “tích cực” trong hoạt động của nó: nó chỉ thuần tuý là cấukiệnbật (on) hoặctắt (off), giống như tấtcả các Thyristor. Dòng trong mạch Hình 7.3 – Đường cong trễ Điệnápcungcấp GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
7. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ DIAC (1) ƒ DIAC: hai điốt Shockley có thểđượcmắc song song với nhau theo 2 hướng ngược nhau. Diac có thể có hoạt động song hướng (AC) Mạch tương đương của DIAC Ký hiệucủaDIAC Hình 7.4 – DIAC GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
8. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ DIAC (2) ™ Nguyên lý hoạt động: ƒ Khi cấpmột điệnápmộtchiều vào hai đầucủaDIAC thìnóhoạt động giống hệtnhư một điốt Shockley. ƒ Tuy nhiên, khi cấpmột điệnápxoaychiều(AC) vàohaiđầucủa DIAC thì nó hoạt động hoàn toàn khác. Do dòng điệnliêntục đảochiều, các DIAC sẽ không duy trì ở trạng thái “chốt” lâu hơnmộtnửachukỳ. NếumộtDIAC bắt đầu “chốt”, nó sẽ chỉ tiếptụcdẫn dòng chừng nào điệnápđủ lớn để đưa đủ dòng điện theo hướng đó. Khi điệnápAC đảochiều, DIAC sẽ ngắtdo không đủ dòng điệnvànócầnphảicómột điệnápđủ lớn (breakover voltage) khác để khiếnnódẫntrở lại. Hình 7.4 mô tả dạng sóng củaDIAC GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
9. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ DIAC (2) ĐiệnápkhiếnDIAC dẫn Hình 7.6 ĐặctuyếnVônAmpe củamột DIAC song hướng Dòng DIAC Dòng Anốt: +IA Điệnápnguồn Điện áp khiến cung cấp DIAC dẫn Hình 7.5 – Các dạng sóng củaDIAC Dòng điện khiếnDIAC dẫn, Điệnápđánh thủng, thông thông thường 50–200 μA thường 20–40V Các DIAC không bao giờđược sử dụng một mình, mà thường Dòng điện đánh thủng, đượcsử dụng kếthợpvớicác thông thường 50–200 μA ĐiệnápkhiếnDIAC dẫn, cấukiện Thyristor khác. thông thường 20-40V GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
10. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ SCR: Silicon-Controlled Rectifier (1) ƒ Cấutạo: quá trình biến điốt Shockley thành SCR chỉ cầnthêm mộtsợidâythứ 3 nốivàocấu trúc PNPN như mô tảởhình vẽ 7.7 Anốt Anốt Anốt Cực Cực Cực cửa cửa cửa Catốt Catốt Catốt Sơđồvậtlý Sơđồtương đương Ký hiệu Hình 7.7 – Cấukiệnchỉnh lưucóđiều khiển Silic (SCR) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
11. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ SCR (2) ™ Nguyên lý hoạt động ƒ Nếucựccổng G củamộtSCR để hở (không nối) thì nó hoạt động giống như một điốt Shockley. ƒ Do cựccổng G nốitrựctiếpvớicựcgốccủa transistor phía dưới, nó có thểđượcsử dụng như mộtphương tiệnthaythếđể“chốt” SCR ƒ Cung cấpmộtU nhỏ giữacựccổng và catốt, transistor phía dướisẽ buộcphải“dẫn” do có dòng cựcgốc đủ lớn, kéo theo transistor phía trên cũng dẫn, và nó lạicungcấp đủ dòng điệnchocựcgốccủa transistor phía dưới. Kếtquả là sau đó SCR không còn cần đượckích hoạtbởimột điệnápcổng nữa ƒ Tất nhiên, dòng cựccổng cầnthiết để khởi động việc“chốt” sẽ nhỏ hơnrất nhiềuso vớidòngđiệnchảy qua SCR từ catốt đếnanốt, do đó SCR sẽ có khả năng khuếch đại GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
12. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ SCR (3) ƒ Phương pháp buộc SCR dẫn điện đượcgọilàkíchhoạt (triggering) và trong thựctế nó là cách thông thường nhất để SCR được“chốt”. ƒ Để tắtmột SCR, dòng anốtphảigiảmxuống dưới dòng giữ (holding current). Trong các mạch mộtchiều(DC) mộtsố phụ kiệnthêmvào phải đượcsử dụng để đảmbảo điều này. Trong các mạch xoay chiều (AC) một SCR sẽ tắt khi điện áp cung cấp(điệnápanốt) điqua điểm0 hướng tới các giá trị âm. (Dòng giữ) (trạng thái dẫn) (điệnápđánh thủng ngược) (trạng thái tắt) (trạng thái chặnngược) điện áp khiếnmộttransistor chuyểnsang trạng thái dẫn Hình 7.8 – ĐặctuyếnV-A điệnápdẫn củamộtSCR GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
13. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ GTO (Gate-Turn-Off Thyristor : Thyristor cổng tắt) ƒ Cấutạo: Các SCR và GTO có cùng sơđồtương đương (gồmhai transistor nốitheokiểuhồitiếpdương), điều khác biệt duy nhấtlà cấutrúcđượcthiếtkếđểcho phép một transistor NPN có hệ số β lớnhơnhệ số β của transistor PNP. ĐiềunàychophépmộtI cực cổng nhỏ hơn(thuậnhoặcngược) để tạoramộtmức độ điều khiểnlớnhơnápdụng cho việcdẫntừ catốt sang anốt, vớitrạng thái chốtcủa transistor PNP trở nên phụ thuộc nhiềuhơnvào trạng thái chốtcủa NPN và ngượclại. Anốt ƒ GTO còn đượcgọilà“chuyểnmạch được điều khiểnbằng cổng”- Gate-Controlled Switch ( GCS) Cựccửa Catốt Hình 7.9 – GTO GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
14. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ TRIAC ¾ SCR là cấukiện đơnhướng (mộtchiều), do đónóchỉ hữuích cho việc điều khiểnmộtchiều(DC). Nếu hai SCR đượcnốivới nhau theo kiểu song song như hình vẽ 8.34 thì ta có mộtcấukiện mớigọilàTRIAC Hình 7.10 - Mạch tương đương của Triac (a) và ký hiệucủa Triac (b) GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
15. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ ĐặctuyếnVôn–AmpecủamộtTriac Điệnáprơi(vT) tại dòng đã được định rõ Dòng chốt(IL) (iT) Dòng rò trạng thái tắt (IDRM) tại điệnápđã định rõ VDRM Dòng giữ nhỏ nhất(IH) Điệnápchặn trạng thái tắt (VDRM) nhỏ nhất được định rõ Điệnáp khiến TRIAC dẫn Hình 7.11 - ĐặctuyếnVôn–AmpecủamộtTriac GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
16. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ TRANSISTOR ĐƠN NỐI (UJT) Cấutạo: gồmmột thanh bán dẫn Silic loạiN cómột đầunốiloạiP ở chính giữa. Các đầunốitạihaiđầucuốicủa thanh bán dẫn đượcgọilà các cựccửaB1 vàB2; điểmnối ở giữaloạiP làcực phát (emitter). Khi cựcpháthở, điệntrở toàn phầnlàRBB0 (một thông số trong bản thông số (data sheet) củalinhkiện) bằng tổng củahaiđiệntrở RB1 và RB2. Hình 7.12 - Transistor đơnnối: (a) Cấutạo, (b) Mô hình, (c) Ký hiệu GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
17. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ ¾Đường cong đặctuyếngiữa dòng cựcphátđơnnốivàđiệnápđượcmô tả như sau: khi VE tăng, dòng IE tăng đếnIP (điểm đỉnh – peak point). Sau khi tăng đến điểm đỉnh (IP), trong vùng điệntrở âm (negative reisistance region) dòng IE tăng tiếpmặcdùđiệnápgiảm. Điệnápđạt giá trị nhỏ nhấttại điểm đáy (valley point). Điệntrở củaRB1, điệntrở bão hoà là nhỏ nhấttại điểm đáy Trở kháng Điểm âm đỉnh Bão hòa Điểm đáy Hình 7.13 - Transistor đơnnối: (a) đường cong đặctuyến phát, (b) Mô hình cho VP GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
18. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Ứng dụng củaUJT: ¾Dùng để chế tạobộ tạodaođộng hồiphục (relaxation). Điệnápnguồn cung cấpVBB sẽ nạp điệnchoCE qua RE cho đến điểm đỉnh (peak point). Cựcphátđơnnối không có tác động gì đếntụđiệnchođến khi điểm đỉnh được đạttới. ¾Mỗikhiđiệnápcủatụ (VE) đạttới điểm điệnápđỉnh VP, điệntrở cực phát -cựccửa1 (E-B1) bị nhỏđisẽ khiếntụ phóng một cách nhanh chóng. Mỗi khi tụ phóng điện đếndưới điểm đáy VV, điệntrở E-B1 quay trở lại thành điệntrở cao, và tụđiệnlại đượcnạp ¾Trong khi tụ phóng điện qua điệntrở bão hoà E-B1, một xung có thể xuấthiện trên các điệntrở tải ngoài B1 và B2 (Hình vẽ 7.14). Điệntrở tảitại B1 cầnphảinhỏđểkhông ảnh hưởng đếnthời gian phóng điện. Điệntrở ngoài tại B2 là tuỳ chọn. Nó có thể được thay thế bởimộtngắnmạch. Tầnsố xấpxỉđược cho bởi 1/f = T = RC GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1
19. BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ ¾Điệntrở nạpRE phảigiảm đi trong các giớihạnnhất định. Nó buộc phải đủ nhỏđểcho phép dòng IP chảydựatrênviệcnguồncungcấp VBB nhỏ hơnVP. Nó cũng buộcphải đủ lớn để cung cấp dòng IV dựa trên việcnguồncungcấpVBB nhỏ hơnVV. Hình 7.14 - Bộ tạodaođộng hồiphục (relaxation oscillator) dùng UJT và các dạng sóng. Bộ tạodaođộng điều khiển SCR GIẢNG VIÊN: ThS. TrầnThụcLinh www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: Kỹ thuật điệntử - KHOA KTĐT1