Thyristor là gì?

Thyristor là gì?

Thyristor hay còn được gọi là chỉnh lưu silic có điều khiển. Tên đầy đủ của nó là Silicon Controlled Rectifier. Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một linh kiện được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các thiết bị điện tử. Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ 2 transistor với hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được. Chúng sẽ hoạt động khi được cấp điện. Và khi không có điện sẽ tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn. Thyristor thường được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

Lịch sử phát triển của thyristor

Vào những năm 1950, thyristor được đề xuất bởi William Shockley. Chúng được bảo vệ bởi Moll cùng một số người khác ở trong phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ). Thyristor được phát triển lần đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà người đứng đầu là Gordon Hall và thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric vào năm 1957.

Cấu tạo của thyristor là gì?

Thyristor có cấu tạo bao gồm bốn lớp bán dẫn P-N được ghép xen kẽ và nối ra ba chân:

• A – kí hiệu anode: Là cực dương.
• K – kí hiệu cathode: Là cực âm.
• G – gate: Là cực khiển (cực cổng).

Kí hiệu của thyristor là gì?

Về mặt kí hiệu thì thyristor sẽ khá giống với một con diode. Một diode thông thường sẽ cho phép dòng điện đi qua từ A sang tới K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K. Còn đối với một Thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó. Ngoài ra chúng còn cần thêm một điều kiện nữa là phải kích thích một dòng điều khiển đi vào chân G.

Các loại thyristor thông dụng trên thị trường hiện nay

Dựa vào khả năng bật và tắt của thyristor mà chúng sẽ được phân thành các loại như sau:

• Thyristor điều khiển silic hoặc là SCR.
• Thyristor cổng tắt hoặc là GTO.
• Thyristor cực phát tắt hoặc là ETOs.
• Thyristor dẫn điện ngược hoặc là RCT.
• Thyristor Triode hai chiều hoặc là TRIAC.
• Thyristor MOS tắt hoặc là MTO.
• Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc là BCT.
• Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc là SCR.
• Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc là LASCR.
• Thyristor kiểm soát FET hoặc là FET-CTHs.
• Thyristor tích hợp cổng hoặc là IGCT.

Nguyên lý hoạt động của thyristor như thế nào?

Trường hợp 1: Cực G để hở hay VG = OV

Đối với trường hợp này thì transistor T1 không có phân cực ở cực B nên T1 sẽ ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn thì IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng vì thế mà ngưng dẫn. Như vậy đối với trường hợp này Thyristor không dẫn điện được. Và dòng điện qua Thyristor là IA = 0, VAK ≈ VCC.

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên ở một mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điện thế ngập VBO thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện IA sẽ tăng nhanh. Lúc này thì Thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh còn được gọi là dòng điện duy trì IH (Holding). Sau đó đặc tính của Thyristor sẽ giống như một diode nắn điện.

Trường hợp 2: Đóng khóa K

Đối với trường hợp này thì VG = VDC – IGRG. Thyristor ở trường hợp này dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện IG cũng chính là IB1 làm cho T1 dẫn điện. Cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 sẽ dẫn điện. Cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì được trạng thái dẫn mà không cần có dòng IG liên tục.

IC1 = IB2; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này thì dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần. Hai transistor lúc này sẽ chạy ở trạng thái bão hòa. Khi đó điện áp VAK giảm ở một mức rất nhỏ (≈ 0,7V) và dòng điện qua Thyristor là:

Thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập sẽ càng nhỏ. Điều đó có nghĩa là Thyristor càng dễ dẫn điện.

Trường hợp 3: Phân cực ngược Thyristor

Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm còn nối K vào cực dương của nguồn VCC. Trường hợp này sẽ có nhiều điểm giống như diode bị phân cực ngược. Thyristor sẽ không dẫn điện được mà chỉ có dòng rất nhỏ đi qua. Thyristor sẽ bị đánh thủng khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn. Điện áp ngược đủ lớn để đánh thủng Thyristor là VBR. Thông thường thì trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.

IG= 0; IG2>IG1>IG

Các thông số kỹ thuật của thyristor

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với một điều kiện là nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá đi một giá trị nhiệt độ cho phép. Trong thực tế thì dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện làm mát và môi trường. Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất lại không cao. Chính vì thế với yêu cầu cao hơn thì người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc bằng nước. Tuy nhiên hạn chế của điều này có thể khiến cho kích thước thiết bị tăng đáng kể. Bạn hoàn toàn có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

• Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép tới 1/3 dòng cho phép Iv,tb.
• Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép bằng 2/3 dòng cho phép Iv,tb.
• Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng lên đến 100% dòng Iv,tb.

Điện áp ngược cho phép lớn nhất (Ung,max)

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép được đặt lên thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo được rằng tại bất kỳ thời điểm nào thì điện áp giữa anode và cathode Uak phải luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,max. Ngoài ra phải đảm bảo được một độ dự trữ nhất định về điện áp, có nghĩa là Ung,max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.

Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs)

Đây là khoảng thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode và cathode của thyristor sau khi dòng anode-cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp Uak dương mà thyristor vẫn khóa. τ là một thông số vô cùng quan trọng của thyristor. Thông thường phải đảm bảo được thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần τ.

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, điều đó có nghĩa là dù được phân cực thuận (Uak>0) nhưng để dòng có thể chạy qua được thì vẫn phải có tín hiệu điều khiển. Khi thyristor phân cực thuận thì phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ dưới đây:

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó sẽ mở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích và từ đó làm cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể được coi như một tụ diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ sẽ đóng vai trò như dòng điều khiển. Và kết quả là thyristor có thể được mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số quan trọng dùng để phân biệt thyristor có tần số thấp với thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp thì dU/dt rơi vào khoảng 50 – 200 V/μs. Còn đối với các thyristor tần số cao thì dU/dt có thể lên tới 500-2000 V/μs.

Cách đo và kiểm tra Thyristor

Có rất nhiều cách đo và kiểm tra thyristor khác nhau. Có thể nói việc kiểm tra thyristor đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Nhất là đối với những thiết bị đã cũ, qua thời gian sử dụng dài thì việc kiểm tra thường xuyên đóng một vai trò vô cùng quan trọng.

Dưới đây chúng tôi sẽ chia sẻ tới bạn đọc cách đo kiểm tra thyristor bằng cách đặt đồng hồ thang x1W. Đầu tiên đặt que đen vào Anode và que đỏ vào cathode. Đối với thới gian ban đầu, kim của đồng hồ sẽ không lên. Sau đó khi dùng Tua vít chập chân A vào chân G thì ta thấy kim đồng hồ sẽ dần dịch chuyển. Lúc này khi bỏ tua vít ra thì thấy đồng hồ vẫn lên kim. Như vậy có thể nhận xét và kiểm tra được là loại Thyristor này tốt.

Các ưu nhược điểm khi sử dụng thyristor

Ưu điểm

• Có thể dễ dàng xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn.
• Được bảo vệ bằng cầu chì.
• Rất dễ dàng bật.
• Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) vô cùng đơn giản.
• Rất đơn giản và dễ dàng để kiểm soát.
• Chi phí thấp.
• Có thể điều khiển bằng nguồn xoay chiều.

Nhược điểm

• Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là một thiết bị một chiều. Chính vì thế nên nó chỉ có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong một nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Do đó chỉ có nguồn một chiều là được điều khiển bằng thyristor.
• Trong mạch xoay chiều, thyristor cần phải được bật trên mỗi chu kỳ.
• Không thể sử dụng thyristor ở tần số cao.
• Dòng điện ở cổng (gate) không thể âm.

Ứng dụng của thyristor là gì?

Vào năm 1956, các thiết bị thyristor đầu tiên được sản xuất dùng cho mục đích thương mại. Chỉ với một thiết bị thyristor nhỏ có thể kiểm soát được một lượng lớn điện áp và năng lượng. Chính vì vật nó được ứng dụng nhiều trong điều chỉnh ánh sáng, công suất điện và điều khiển tốc độ của động cơ điện.

Trước đây, thyristor được dùng cho đảo ngược dòng điện với mục đích dùng để tắt thiết bị. Trên thực tế, thì do có dòng điện trực tiếp nên rất khó sử dụng cho thiết bị. Nhưng hiện nay, bằng cách sử dụng tín hiệu cổng điều khiển có thể bật và tắt các thiết bị mới nên chúng ta có thể sử dụng Thyristor để bật và tắt hoàn toàn. Vì vậy, hiện nay thyristor được sử dụng để làm công tắc chứ không thích hợp để làm bộ khuếch đại analog.

Trên thực tế thì thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng có yêu cầu điện áp và dòng điện lớn. Bên cạnh đó chúng thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC. Vì sự thay đổi cực tính của dòng điện nên cũng khiến cho thiết bị có thể đóng một cách tự động (được biết như là quá trình Zero Cross – quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp có hình sin).

Hy vọng bài viết có thể mang tới cho bạn đọc nhiều thông tin bổ ích, thú vị!