Thyristor là một thiết bị bán dẫn có nhiều lớp silicon, là thiết bị bán dẫn được sử dụng rất phổ biến và không thể thiếu trong các bo mạch điện tử. Vậy thyristor là gì? Cấu tạo của thyristor như thế nào? Nguyên lý hoạt động của thyristor ra sao? Có các loại thyristor nào và chúng có các ứng dụng gì trong thực tế? Mời bạn tìm hiểu trong bài viết dưới đây của Bảo An.
Thyristor hay còn có tên gọi khác là SCR (viết tắt của Silicon Controlled Rectifier hay dịch ra tiếng Việt là "Chỉnh lưu silic có điều khiển") là thiết bị bán dẫn được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn và là một loại linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hay các bo mạch điện tử.
Thyristor về bản chất là một diode được ghép bởi 2 transistor có hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT (Bipolar junction transistor - Transistor lưỡng cực) bao gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP). Chúng hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn khi không có dòng điện. Thyristor thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.
Hình 1: Thyristor là gì?
Cấu tạo thyristor nhìn chung sẽ bao gồm 3 cực như sau: Anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G). Thyristor có vai trò tương đương như một khóa điện tử có điều khiển bằng điện. Đặc tính của thyristor là cho phép dẫn điện từ anode sang cathode khi cung cấp một dòng điện kích thích vào cực điều khiển (G).
Hình 2: Cấu tạo thyristor
Về mặt ký hiệu thì ký hiệu của thyristor khá tương đồng giống như diode. Một diode thông thường sẽ cho dòng điện đi từ Anode sang đến Cathode khi điện thế tại Anode lớn hơn điện thế tại Cathode. Còn đối với thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó và ngoài ra cần có thêm một điều kiện nữa là cần có dòng điện điều khiển đi vào chân G.
Hình 3: Ký hiệu của thyristor
Có hai loại thyristor chính là thyristor loại P và thyristor loại N được ký hiệu như hình vẽ dưới đây. Trong thực tế thì thyristor loại P là phổ biến nhất (chiếm khoảng 80%)
Hình 4: Ký hiệu transistor P và N
Dựa trên khả năng bật và tắt của các loại thyristor mà thyristor được chia thành các loại chính như sau:
Thyristor điều khiển silic hay còn gọi là SCR.
Thyristor cống tắt (hay GTO).
Thyristor có cực phát tắt (hay là ETOs).
Thyristor triode hai chiều hay còn gọi là TRIAC.
Thyristor MOS tắt hoặc là MTO.
Thyristor điều khiển pha hai chiều hay còn gọi là BCT.
Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng, hay còn gọi là LASCR.
Thyristor kiểm soát FET hay là FET-CTH.
Ngoài ra, thyristor còn có một số loại khác như sau:
Thyristor dạng module.
Thyristor dạng bắt ốc.
Thyristor dạng đĩa.
Nguyên lý làm việc của thyristor sẽ có 3 trường hợp chính như sau:
Với trường hợp cực G hở thì trường hợp này transistor T1 không có phân cực ở B nên T1 sẽ ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn thì IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng sẽ ngưng dẫn. Như vậy đối với trường hợp này thì thyristor sẽ không thể dẫn điện được và khi đó dòng điện qua thyristor là IA=0, VAK ~ VCC. Tuy nhiên, khi điện áp nguồn VCC được tăng lên ở một mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến điện thế VBO thì điện áp VAK sẽ giảm xuống như diode và dòng điện IA lúc này sẽ tăng nhanh. Khi này thì thyristor sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện tương ứng với điện áp VAK sẽ giảm nhanh và còn được gọi là dòng điện duy trì IH (holding). Sau đó thì đặc tính của thyristor sẽ giống như một diode nắn điện.
Hình 5: Cực G hở hay VG = OV
Đối với trường hợp khóa K đóng thì thyristor dễ dàng chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở B1 nên dòng điện IG cũng chính là dòng điện IB1 để làm cho T1 dẫn điện cho ra dòng điện IC1 cũng chính là dòng điện IB2 và IC1 = IB2 nên lúc đó I2 cũng sẽ dẫn điện và cho ra dòng điện IC2 lại cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Từ đó mà thyristor sẽ duy trì được trạng thái dẫn mà không cần có dòng điện IG liên tục.
Theo nguyên lý này thì dòng điện đi qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần lên. Khi này, hai transitor sẽ chạy ở trạng thái bão hòa và khi đó điện áp VAK giảm đi một mức rất nhỏ (~0,7V) và dòng điện đi qua thyristor sẽ là: IA = (VCC - VAK)/RA ~ VCC/RA.
Trên thực tế cho thấy rằng khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì điện áp VBO sẽ càng nhỏ và điều đó nghĩa là thyristor sẽ càng dễ dẫn điện.
Hình 6: Khóa K đóng
Phân cực ngược thyristor có nghĩa là nối Anode vào cực âm còn nối Cathode vào cực dương của nguồn VCC. Với trường hợp này thì 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 và thông thường thì trị số VBR và VBO sẽ bằng nhau và ngược dấu.
Khi lựa chọn và sử dụng transistor, bạn cần lưu ý đến các thông số kỹ thuật chính như sau:
6.1. 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 điều kiện là nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn trong thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép. Trên 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. Cho nên với yêu cầu cao hơn thì người ta thường làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc quạt nước. Tuy nhiên điểm hạn chế của điều này có thể khiến cho kích thước thiết bị tăng đáng kể. Bạn có thể lựa chọn dòng điện theo 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.
Đây là giá trị điện áp ngược tối đa cho phép tác động lên thyristor. Trong các ứng dụng phải đảm bảo 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 cần phải đảm bảo được một độ dự trữ nhất định về điện áp, có nghĩa là Ung,max phải được chọn ít nhất bằng 1.2 đến 1.5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.
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 0 trước khi lại có thể có điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tính chất khóa là thông số vô cùng quan trọng của thyristor, thông thường cần phải đảm bảo được thời gian dành cho quá trình khóa bằng 1.5 đến 2 lần τ.
Thyristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận nhưng để dòng điện có thể chạy qua thì vẫn phải có tín hiệu điều khiển. Khi thyristor phân cực thuận thì phần điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ sau đây:
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó sẽ tăng lên và tạo ra vùng không gian nghèo điện tích và từ đó làm cản trở dòng điện đi qua. Vùng không gian này có thể được coi như là một tụ điện có điện dung là Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn thì dòng điện của tụ sẽ đóng vai trò như dòng điều khiển và từ đó thyristor có thể được mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực G. Tốc độ tăng điện áp là một thông số quan trọng để phân biệt thyristor có tần số thấp với thyristor có tần số cao. Với thyristor có tần số thấp thì dU/dt khoảng 50 -200V/μs, còn đối với thyristor tần số cao thì dU/dt khoảng 500-2000 V/μs.
Thyristor có các ưu điểm có thể kể đến như sau:
Có thể dễ dàng xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn.
Được bảo vệ bằng cầu chì.
Có thể dễ dàng bật được.
Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) rất đơn giản.
Chi phí thấp và có thể điều khiển bằng nguồn xoay chiều.
Bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR) là một thiết bị một chiều. Cho nên thyristor có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Do đó chỉ có nguồn một chiều là được điều khiển bằng thyristor.
Ở trong mạch điện xoay chiều thì thyristor cần phải bật trên mỗi chu kỳ.
Không thể sử dụng thyristor ở tần số cao.
Dòng điện gate không thể có giá trị âm.
Thyristor có các ứng dụng có thể kể đến như sau:
Điều khiển thiết bị động cơ: Thyristor được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ điện, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát tốc độ chính xác như trong các dây chuyền sản xuất, cẩu trục, máy công cụ, máy kéo,
Điều khiển áp suất và nhiệt độ: Thyristor được sử dụng để điều khiển áp suất và nhiệt độ trong các hệ thống như điều hòa không khí, lò nung, lò sưởi, hệ thống theo dõi nhiệt độ trong công nghiệp.
Điều khiển đèn điện: Thyristor được sử dụng để điều khiển đèn điện trong các hệ thống chiếu sáng công nghiệp, thương mại hay dân dụng. Bằng cách điều chỉnh góc kích hoạt của thyristor thì ta có thể điều chỉnh được độ sáng của đèn và kiểm soát tiêu thụ năng lượng/
Thyristor còn được ứng dụng trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển mạch chuyển mạch, điều khiển hệ thống tải trong nhà máy, điều khiển dòng điện chính xác trong hệ thống công nghiệp,...
Kết luận: Trên đây là những kiến thức hữu ích về thyristor mà Bảo An đã đem đến cho các bạn. Hy vọng những kiến thức bổ ích này sẽ giúp ích nhiều cho công việc của các bạn.
