Ở bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu về một linh kiện chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều, đó là diode. Bài viết hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại linh kiện có chức năng tương tự nhưng có thể điều khiển được đó là SCR hay còn gọi là thyristor. Vậy SCR hay thyristor là gì? Tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động, mạch điều khiển, đặc tính, mạch kích của thyristor (scr).
Thyristor là gì ?
SCR (Silicon Controlled Rectifier – chỉnh lưu có điều khiển) hay thyristor là linh kiện điện tử bán dẫn có điều khiển, đóng vai trò như một van điện tử có điều khiển. SCR là linh kiện điện tử công suất chủ yếu và tạo nên bước phát triển nhảy vọt trong kỹ thuật điện tử công suất.
Thyristor ( SCR ) là gì
7 điều cần biết về SCR là gì ?
1. Cấu tạo và ký hiệu
Cấu tạo của thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng : cực dương A, cực âm C và cổng điều khiển và tinh chỉnh G. Về mặt triết lý sống sót cấu trúc thyristor PNPN và NPNP, nhưng trong trong thực tiễn người ta chỉ tăng trưởng và sử dụng loại PNPN .
Ký hiệu của SCR là một diode bán dẫn có thêm cực tinh chỉnh và điều khiển G .
Cấu tạo và ký hiệu của SCR là gì
2. Nguyên lý hoạt động giải trí
Ta thấy SCR hoàn toàn có thể coi như tương tương với hai transistor PNP và NPN link với nhau qua ngõ nền và thu .
Nguyên lý hoạt động giải trí của Thyristor ( SCR )
Khi đưa vào mạch G, K ( tương ứng với B – E của transistor NPN ) một xung dòng IG, transistor sẽ đóng. Dòng điện dẫn liên tục qua mạch E – B của transistor PNP và đóng nó. Các transistor sẽ liên tục đóng ngay cả khi dòng IG bị ngắt .
Dòng qua cực C của một transistor cũng chính là dòng đi qua cực B của transistor thứ hai và ngược lại. Các transistor vì thế cùng nhau duy trì ở trạng thái đóng .
3. Tính chất và trạng thái cơ bản
3.1 Trạng thái cơ bản của SCR
Khi thyristor bị ngắt ( không dẫn điện ) thì cực A hoàn toàn có thể chịu được điện áp dương so với cực K ( tức ở trạng thái khóa ), hoặc điện áp âm so với cực K ( trạng thái nghịch ) .
– Hiện tượng đóng SCR: Quá trình chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn thỏa mãn 2 điều kiện:
+ Khi thyristor ở trạng thái khóa ( UAK > 0 )
+ Khi có xung dòng điện kích iG đủ lớn .
– Hiện tượng ngắt SCR: Quá trình chuyển từ trạng thái dẫn diện sang không dẫn điện (tức trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa). Quá trình này gồm 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách biến hóa điện trở hoặc điện áp giữa cực A và K .
+ Giai đoạn Phục hồi năng lực khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần có một thời hạn ngắt để chuyển thyristor vào trạng thái khóa .
3.2 Đặc tính V – A của thyristor
Đặc tính V – A được màn biểu diễn như hình bên dưới. Gồm có 3 nhánh :
Đặc tính V – A của SCR là gì
– Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt áp giữa A-K nhỏ không đáng kể.
+ Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K. Điện trở thuận rT và điện áp thuận UTO được định nghĩa tương tự như như trường hợp ở diode .
+ Khác với diode, những nhánh thuận của thyristor không mở màn từ góc zero của hệ trục mà từ giá trị iH ( holding current ) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trị dòng giảm nhỏ hơn iH thì thyristor trở về trạng thái khóa .
+ Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng iG tắt, yên cầu dòng thuận phải đạt đến giá trị dòng chốt iL ( Latching ), trong đó iL > iH .
>>> Xem thêm: Diode là gì – Chi tiết về diode
– Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch.
Tương tự như diode, dòng qua thyristor chỉ là dòng ngược bão hòa có giá trị rất nhỏ. Nếu điện áp phân cực ngược đạt đến giá trị điện áp đánh thủng ( UBR ) thì dòng qua thyristor tăng động ngột, lớp tiếp giáp của thyristor bị đánh thủng .
Khi thyristor ở trạng thái nghịch việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghịch một cách vô ích .
– Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa.
Nếu dòng iG = 0 thì dạng nhánh khóa tương tự như như nhánh nghịch. Tương tự ta có điện áp đóng uBO thay vì điện áp đánh thủng uBR. Khi điện áp đạt đến giá trị uBO, thyristor sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện .
Khi iG biến hóa, tùy thuộc vào độ lớn iG mà giá trị của điện thế khóa biến hóa theo, điện thế khóa sẽ giảm khi iG tăng. Hiện tượng thyristor dẫn diện do tính năng điện áp vượt quá uBO ( iG = 0 ) là sự cố do quá điện áp Open trên điện lưới gây ra .
4. Tính chất động
Tác dụng điện áp khóa uV về thực chất đó là công dụng điện áp nghịch lên lớp bán dẫn. Lúc đó, nó hoạt động giải trí như một tụ điện, điện dung của nó phụ thuộc vào vào độ lớn điện áp đặt vào .
4.1 Chuyển mạch đóng
Việc đóng Thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng iG đi vào cổng. Thoạt tiên dòng dẫn iV qua một phần nhỏ của tiết diện của Thyristor ở chỗ nối với cổng G. Sau đó, điện tích dẫn tăng dần lên của tiết diện phiến bán dẫn, điện áp khóa giảm dần. Đối với những thyristor, thường thì thời hạn đóng điện ở khoảng chừng 3 – 10 us .
Khi dòng dẫn tăng quá nhanh, chỉ có một phần tiết diện chung quanh mạch cổng G dẫn diện và dẫn đến quá tải. Có thể làm tăng nhiệt độ lên đến giá trị làm hỏng linh phụ kiện .
4.2 Ngắt thyristor
Ở quá trình đầu việc ngắt thyristor diễn ra tựa như như khi ngắt diode .
Biểu đồ khi ngắt thyristor
Sau khi hồi sinh điện trở nghịch, quy trình ngắt vẫn chưa chấm hết, cần có thêm thời hạn để Phục hồi năng lực khóa. Vì vậy ta định nghĩa thêm tq là thời hạn ngắt tối thiểu thiết yếu mà SCR cần duy trì áp ngược để Phục hồi năng lực khóa .
Thời gian ngắt tối thiểu mở màn từ khi dòng điện thuận quay trở lại 0 cho đến khi điện áp khóa công dụng trở lại mà không làm SCR đóng lại ( IG = 0 ). Nếu ta tính năng điện áp khóa lên sớm hơn khoảng chừng thời hạn tq, SCR hoàn toàn có thể đóng ngoài ý muốn dù chưa có xung kích đưa vào cực cổng .
Thời gian ngắt phụ thuộc vào vào những điều kiện kèm theo ngắt như nhiệt độ chất bán dẫn, dòng bị ngắt, vận tốc giảm dòng và điện áp nghịch. Các thyristor thường có tq trong khoảng chừng từ vài us đến hàng trăm us .
5. Khả năng chịu tải của SCR
Khả năng chịu áp và dòng, năng lực quá tải được xem xét tựa như như diode. Điện thế nghịch cực lớn lặp lại URRM và điện thế khóa UDRM thường bằng nhau và cho biết những giá trị điện áp lớn nhất tức thời được cho phép Open trên thyristor. Bởi vì điện thế cực lớn không lặp lại của thyristor thường không được biết .
Khả năng chịu áp của thyristor đạt đến hàng chục kV, thường thì ở mức 5 – 7 kV. Dòng điện trung bình đạt đến khoảng chừng 5000A. Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng chừng 1,5 – 3V. Phần lớn những thyristor được làm mát bằng không khí .
Bảng sau trình bày các thông số đặc trung của thyrsistor VS-30TPS16-M3
| Thông số | Giá trị | Giải thích |
| VRRM | 1600V |
Điện áp ngược cực đại lặp lại cho phép – Repetitive peak Reverse voltage |
| VDRM | 1600V | Điện áp khóa lặp lại cực lớn được cho phép – Repetitive peak off-state voltage |
| VRSM | 1700V | Điện áp ngược cực lớn không lặp lại được cho phép – Non-repetitive peak reverse voltage |
| ( dv / dt ) crit | 500V / us | Độ tăng điện áp khóa cho phép |
| IRMS | 30A | Dòng điện hiệu dụng – RMS – On state current |
| ITAV | 20A | Dòng điện trung bình – Mean on state current |
| ( di / dt ) cirt | 150A / us | Độ tăng dòng điện được cho phép khi linh phụ kiện đóng |
| VT | 1,3 V | Điện áp thuận – Direct on state voltage |
| VGT | 2V | Điện áp cổng kích – Gate trigger voltage |
| IGT | 45 mA | Dòng điện cổng kích – Gate trigger current |
| IH | 150 mA | Dòng điện duy trì – Holding current |
| IL | 200 mA | Dòng điện chốt – Latching current |
Tham khảo datasheet của thyristor VS-30TPS16-M3
6. Mạch kích scr
Trong những bộ đổi khác hiệu suất dùng thyristor, thyristor và mạch xung kích vào cồng điều khiển và tinh chỉnh của nó cần được cách điện. Tương tự như những mạch kích cho transistor, mosfet ta hoàn toàn có thể sử dụng biến áp xung hoặc opto cách ly .
6.1 Mạch kích dùng biến áp xung
Để đóng thyristor, khoảng chừng đầu xung dòng kích phải có giá trị đủ lớn. Do đặc thù của lớp nghịch không tốt nên không được phép để Open trên nó điện thế âm dù chỉ rất nhỏ ( UGK phải > 0 ). Trong dưới đây sử dụng hai diode để D1 và D2 ngăn dòng ngược, bảo vệ cho điện áp UGK > 0 .
Mạch kích thyristor dùng biến áp xung
Sau khi tín hiệu điều khiển và tinh chỉnh ở mức cao đi vào chân B của transistor Q1, làm Q1 dẫn điện và đóng vai trò như công tắc nguồn đóng. Lúc này điện áp Open đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung, từ đó điện áp cảm ứng Open phía thứ cấp biến áp. Điện áp cảm ứng này được đưa vào chân kích G của thyristor, làm thyristor dẫn điện .
Khi tín hiệu tinh chỉnh và điều khiển ở mức thấp ở chân B của transistor Q1, thì transistor Q1 không dẫn điện, do đó ngưng cấp điện cho cuộn sơ cấp biến áp. Dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung vẫn duy trì qua cuộn sơ cấp và diode Dm. Mục đích sử dụng diode Dm để làm tắt nhanh dòng từ hóa khi xung bị ngắt, nếu không thì dòng từ không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa xung vào .
Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do đó người ta sử dụng tín hiệu khiển dạng chuỗi xung .
Mạch bảo vệ thyristor: Sử dụng mạch RC mắc song song với SCR để bảo vệ chống quá điện áp. Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ mắc nối tiếp với SCR chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện.
6.2 Mạch kích sử dụng opto
Opto sử dụng trong mạch hoàn toàn có thể là opto transitor hoặc opto thyristor .
Xung tinh chỉnh và điều khiển dưới dạng xung kích ngắn được đưa vào Led của transistor, diode phát quang kích dẫn thyristor của opto. Từ đó làm kích dẫn thyristor hiệu suất .
Mạch kích SCR dùng opto là gì
Mạch dùng opto yên cầu có nguồn DC cung ứng riêng do đó làm tăng giá thành và kích cỡ của mạch điều khiển và tinh chỉnh .
Trong nhiều trường hợp ứng dụng, mạch kích đơn thuần sử dụng cấu trúc chứa diac như hinh bên dưới. Độ lớn góc kích phụ thuộc vào vào thời hạn nạp điện tích cho tụ ( xác lập bằng hằng số thời hạn RC ) và điện áp công dụng của diac. Mạch sử dụng trực tiếp nguồn điện hiệu suất để làm nguồn kích. Phạm vi điều khiển và tinh chỉnh góc kích bị hạn chế .
7. Một số loại SCR đặc biệt quan trọng
+ Thyristor cao áp : có điện áp lặp lại lớn nhất khoảng chừng vài ngàn volt. Các thông số kỹ thuật đặc trưng đặc thù động của nó không có lợi ( Qr, tq, Sucrit, Sicrit ) .
+ Thyristor nhanh : những thông số kỹ thuật nâng cấp cải tiến đặc thù động được tốt hơn như tq nhỏ, Sucrit và Sicrit lớn. Khả năng chịu áp và dòng của nó thấp hơn
+ Thyristor GATT : thực chất giống như Thyristor cung ứng nhanh. Bằng cách công dụng điện áp ngược lên mạch cổng, thời hạn tq hoàn toàn có thể giảm xuống còn 50% so với thyristor nhanh .
+ Fotothyristor : Có thể cho đóng thông thường bằng xung kích vào cổng G, hoặc bằng tia sáng lên vị trí nhất định của vỏ chứa thyristor. Fotothyristor cách ly nguồn xung kích và mạch hiệu suất, những dạng của nó được vẽ như bình bên dưới .
Các dạng fotothyristor cách ly
Trong đó, thyristor loại a sử dụng vi mạch giúp tận dụng nguồn tia sáng kích thích. Thyristor loại b, c bảo vệ cách ly tốt nguồn xung và mạch hiệu suất, do hạn chế nhiều tính năng của sóng nhiễu. Dạng c chỉ cần hiệu suất kích của nguồn sáng không đáng kể .
>>> Xem thêm
Mosfet là gì – Chi tiết nhất về mosfet
10 sơ đồ mạch chỉnh lưu có điều khiển và tinh chỉnh sử dụng SCR
20 sơ đồ đáu dây contactor 3 pha cơ bản đến nâng cao
4 sơ đồ mạch khởi động sao tam giác – ưu điểm yếu kém
Tham khảo video rất hay Thyristor (SCR) là gì và cách sử dụng SCR trong thực tế
Tài liệu tham khảo
Điện tử hiệu suất 1 – Nguyễn Văn Nhờ
Download giáo trình, tài liệu tìm hiểu thêm tại đây
Source: https://blogthuvi.com
Category: Blog