Nếu bạn lần đầu nghe đến Thyristor dùng trong các hệ thống điện thì đừng bỏ lỡ bài viết này nhé. Bởi TKĐ sẽ cung cấp đầy đủ các thông số, cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng và 1 số loại Thyristor thông dụng để khi cần các bạn có thể tìm mua được nhanh chóng.
Thyristor là gì?
Thyristor là 1 thiết bị dùng trong các hệ thống điện. Vậy Thyristor là gì?
Nó được gọi với tên đầy đủ hơn đó là: Silicon Controlled Rectifier. Tiếng Việt, chúng ta dịch là chỉnh lưu silic có điều khiển. Nó là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn. Đây là 1 linh kiện khá quen thuộc đối với các kỹ sư.
Nó có 3 cực hoạt động là: cực điều khiển G, anode A, cathode K. Vai trò trong mạch như 1 khóa điện tử có điều khiển. Thyristor cho phép dẫn điện từ Anot sang Catot khi có dòng điện kích thích đi vào chân G.
Thyristor được đề xuất lần đầu bởi William Shockley vào năm 1950 và được bảo vệ bởi ông Moll và công sự tại phòng thí nghiệm Bell Mỹ. Sau này, nó phát triển nhờ vào những kỹ sư năng lượng như: Gordon Hall. Đến năm 1957, Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric đã thương mại hóa thành công.
Ký hiệu Thyristor
Ký hiệu Thyristor sẽ giống với 1 diode. Và chúng tôi ký hiệu như trên, 1 diode thông thường sẽ cho dòng điện đi vào và từ A sang K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế K. Thyristor vẫn cần các điều kiện trên nhưng thêm việc kích thích 1 dòng điều khiển đi vào chân G.
Cấu tạo Thyristor
Một Thyristor sẽ gồm 4 lớp bán dẫn P_N xếp xen ké với nhau và nối ra với 3 chân G, K, A.
+ Chân G: Gate là cực khiển hay còn gọi cực cổng.
+ Chân K: Cathode cực âm.
+ Chân A: Anode: Cực dương.
Thyristor là 1 diot và được ghép của 2 transistor với 2 chiều đối nghịch. Và nó có thể điều khiển được, tương đương với 2 BJT gồm: 1 NPN và 1 PNP.
Chúng chỉ hoạt động khi được cấp điện năng và ngắt tự động khi ngừng cấp dòng điện và trở về trạng thái ngưng dẫn. Chính vì vậy mà nó được ứng dụng dùng cho chỉnh lưu dòng điện có sự điều khiển.
Các loại thyristor thông dụng
Trên thị trường, có rất nhiều loại Thyristor, chúng tôi có thể liệt kê 1 số loại phổ biến mà các bạn có thể tham khảo như:
+ GTO là Thyristor cổng tắt.
+ SCR là Thyristor điều khiển silic.
+ ETOs là Thyristor cực phát tắt.
+ MTO là Thyristor MOS tắt.
+ RCT Thyristor dẫn điện ngược.
+ TRIAC là Thyristor Triode 2 chiều.
+ IGCT Thyristor tích hợp cổng.
+ BCT Thyristor điều khiển pha 2 chiều.
+ SCR là Thyristor chuyển đổi nhanh.
+ FET-CTHs là Thyristor kiểm soát FET.
+ LASCR là bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng.
Nguyên lý làm việc của Thyristor
Nguyên lý của nó được chia làm 3 phần:
Trường hợp G để hở, VG = OV
Khi VG = OV thì T1 không phân cực B nên T1 sẽ ngưng dẫn điện và nó sẽ làm IB1 = 0, IC1 = 0. Sau đó, T2 cũng ngưng dẫn. Và trường hợp này thì Thyristor sẽ không dẫn điện được. Dòng điện qua Thyristor là IA = 0, VAK ≈ VCC.
Khi tăng điện áp nguồn là lên mức đủ lớn thì điện áp VAK tăng theo. Việc tăng này cho đến khi điện thế ngập VBO thì VAK giảm như diode. Lúc này, dòng điện IA tăng nhanh. Thyristor chuyển sang dẫn điện và dòng tương ứng với điện áp VAK giảm nhanh. Dòng điện này gọi là dòng duy trì IH (Holding). Thyristor giống 1 diode nắn điện.
Trường hợp đóng khóa K
Khi VG = VDC – IGRG thì Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện. T1 được phân cực ở B1 nên dòng IG chính là IB1 nên T1 dẫn điện cho ra IC1 là dòng IB2. I2 dẫn điện và IC2 cấp điện cho T1 và IC2 = IB1.
Thyristor sẽ duy trì trạng thái dẫn mà không có dòng IG liên tục, lúc này: IC1 = IB2; IC2 = IB1.
Theo nguyên lý này thì dòng điện đi qua transistor và sẽ khuếch đại lớn dần. Hai transistor chạy ở trạng thái bão hòa. VAK giảm rất nhỏ (≈ 0,7V). Công thức tính dòng điện qua Thyristor là:
Nếu dòng điện cung cấp cho cực G càng lớn thì áp ngập càng nhỏ và Thyristor càng dễ dẫn điện.
Trường hợp phân cực ngược Thyristor
Lúc này, nối A và cực âm, K nối cực dương của VCC. Trường hợp này khá giống với diode bị phân cực ngược. Các thyristor sẽ không dẫn điện, chỉ có cho dòng rỉ rất nhỏ đi qua.
Khi tăng điện áp ngược lên thì Thyristor bị đánh thủng, dòng điện đi qua và theo chiều ngược lại. Điện áp ngược đủ lớn để đánh thủng là VBR và thường thì VBR và VBO sẽ bằng nhau nhưng ngược dấu nhau.
Đặc tuyến Thyristor
Đặc tuyến Thyristor sẽ biểu hiện rõ trong 2 trường hợp như sau:
Trường hợp IG = 0
Khi hở mạch hoặc khi dòng vào Thyristor bằng 0 thì nó sẽ cản trở dòng sao cho tương ứng với việc phân cực điện áp anôt – catôt.
+ Khi UAK < 0
Dựa trên cấu tạo bán dẫn của thiết bị, hai tiếp giáp J1, J3 sẽ phân cực ngược. Lớp J2 phân cực thuận. Thiết bị sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp và bị phân cực ngược.
Khi UAK bị tăng và đạt 1 giá trị điện áp lớn nhất Ung,max thì nó hiện bị đánh thủng và kéo theo dòng điện có thể tăng lên rất lớn.
+ Khi UAK > 0
Chỉ có dòng điện nhỏ đi qua và được gọi là dòng rò. Điện trở tương đương của mạch anôt – catôt có giá trị lớn thì tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận và J2 phân cực ngược.
Nếu UAK tăng dần và đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max, thì điện trở tương đương mạch anôt – catôt đột ngột giảm. Dòng điện lúc này chạy qua Thyristor sẽ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài.
Trường hợp IG > 0
Nếu ta thêm một dòng điều khiển vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ diễn ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất Uth,max. Điều này được biểu thị trên đồ thị bằng các đường nét đứt ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau: IG1, IG2, IG3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển tăng thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ diễn ra với UAK thấp hơn.
Trên đường đặc tính ngược, tình hình sẽ không khác gì so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0.
Thyristor có đặc tính giống như điốt, chỉ cho phép dòng đi qua theo một chiều, từ anot đến catot và ngăn cản dòng đi theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, khác với điốt, Thyristor cần một số điều kiện khác để dẫn dòng ngoài điện áp UAK > 0. Vì vậy, Thyristor được xem như một phần tử bán dẫn có điều khiển, để phân biệt với điốt là phần tử không điều khiển.
Các thông số kỹ thuật Thyristor
Một số thông số kỹ thuật của Thyristor mà bạn cần phải nắm:
+ Thời gian mở: Đó là thời gian cần thiết hay còn gọi là độ rộng của xung kích để nó có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang một trạng thái dẫn. Thời gian mở được tính bằng micro giây.
+ Dòng điện kích cực tiểu: Thyristor có thể dẫn điện ngay cả khi VAK thấp thì luôn phải có dòng điện kích vào cực G. Dòng IGmin trị số dòng nhỏ nên có thể điều khiển cho thiết bị này dẫn điện. Tùy vào công suất của Thyristor mà dòng có trị số lớn hay nhỏ. Nếu Thyristor càng lớn thì IGmin phải lớn tuy nhiên, giới hạn chỉ từ 1mA đến vài chục mA.
+ Thời gian tắt: Thyristor sau khi kích sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện. Khi muốn Thyristor từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng thì cho IG = 0, điện áp VAK cũng bằng 0. Lúc này, Thyristor tắt được và thời gian cho VAK = OV phải đảm bảo đủ dài để VAK không tăng lên cao khiến cho nó có thể dẫn điện trở lại. Thời gian tắt dao động vài giây đến vài chục micrô giây.
+ Dòng điện thuận cực đại: Nó là trị số lớn nhất của dòng điện qua mà thiết bị có thể chịu đựng liên tục. Nếu trị số vượt quá thì thiết bị hỏng. Thyristor đã dẫn điện VAK khoảng 0,7V. Chúng ta có thể áp dụng công thức sau:
+ Điện áp ngược cực đại: Là điện áp ngược lớn nhất đặt giữa A, K mà Thyristor chưa bị đánh thủng. Khi vượt quá trị số này, thiết bị sẽ bị hỏng. Điện áp ngược cực đại nằm trong khoảng 100V đến 1000V.
Ứng dụng của Thyristor
Thyristor được sử dụng đầu tiên vào năm 1956 và với mục đích thương mại. Nó có thể kiểm soát được điện áp và năng lượng lớn. Và con người đã ứng dụng nó vào trong điều chỉnh công suất điện, ánh sáng hay kể cả động cơ điện.
Thyristor dùng cho đảo ngược dòng điện để tắt thiết bị đang hoạt động. Nhưng do, dòng điện là trực tiếp nên khó sử dụng. Ngày nay, con người sử dụng tín hiệu cổng điều khiển có thể bật, tắt thiết bị nên việc ứng dụng thyristor để tắt bật hoàn toàn rất thuận tiện. Dựa trên đặc điểm mà con người dùng thyristor để làm công tắc hơn là dùng trong bộ khuếch đại analog.
Hiện nay, thyristor dùng cho những công việc, hệ thống mà yêu cầu dòng điện, điện áp lớn. Nó dùng điều khiển dòng điện xoay chiều 220v. Do dòng điện AC nó có sự thay đổi cực tính nên có thể đóng 1 cách tự động, quá trình đóng cắt đầu ra tại điểm lân cận điểm 0 của điện áp có sơ đồ hình sin.
Ưu nhược điểm khi dùng Thyristor
Cũng như các linh kiện khác thì Thyristor cũng có ưu, nhược điểm như sau:
Ưu điểm
Khi sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển silic hay Thyristor, chúng ta có rất nhiều lợi ích như:
+ Rất dễ bật, dễ lắp đặt.
+ Xử lý dòng điện và điện áp, công suất lớn 1 cách ổn định.
+ Giá thành rẻ, chi phí đầu tư thấp.
+ Có thể được bảo vệ khỏi chập cháy nhờ vào các cầu chì.
+ Nó tham gia điều khiển được nguồn xoay chiều.
+ Mạch kích hoạt để bộ chỉnh lưu SCR được điều khiển bằng silicon đơn giản.
+ Kiểm soát thuận tiện.
Nhược điểm
Và tất nhiên, bên cạnh các điểm nổi bật trên thì nó sẽ có nhược điểm mà thời gian tới con người cần nghiên cứu và tìm hướng để cải tiến.
+ Không sử dụng ở tần số cao, quá cao.
+ SCR là thiết bị 1 chiều. Nó chỉ hoạt động và điều khiển công suất bằng chính nguồn 1 chiều trong 1/2 chu kỳ dương của nguồn điện xoay chiều. Vì thế chỉ có thể dùng thyristor để điều khiển được nguồn điện 1 chiều.
+ Dòng điện tại các gate (cổng) thì không thể ẩm.
+ Nếu lắp dùng trong mạch xoay chiều thì nó cần được bật trên mỗi 1 chu kỳ làm việc.
Cách đo và kiểm tra Thyristor
Muốn đo và kiểm tra thyristor, con người có rất nhiều cách. Đối với việc chọn mua các thyristor cũ, đã được sử dụng 1 thời gian hay thiết bị đang vận hành lâu dài thì nó rất quan trọng. Quá trình này sẽ đánh giá được năng suất của thiết bị.
Thủy Khí Điện thường sử dụng đồng hồ thang x1W để đo và kiểm tra thyristor.
Bước đầu tiên, đặt 1 que đen vào Anode và 1 que đỏ vào cathode.
Ở thời gian đầu, kim đồng hồ sẽ không lên. Khi đó, con người sẽ dùng tua vít chập chân A và chân G vào với nhau. Kim đồng hồ dần dịch chuyển. Lúc này, nếu ta bỏ tua vít ra khỏi vị trí, đồng hồ vẫn lên kim thì Thyristor vẫn dùng tốt. Nếu đồng hồ không lên kim thì Thyristor gặp sự cố hoặc bị hỏng.
Chúng ta cùng xem sơ đồ dưới đây để hình dung được các bước kiểm tra:
Hy vọng các bạn sẽ tìm thấy được những thông tin bổ ích, nếu thấy hay thì hãy chia sẻ đến với mọi người nhé.
