Thyristor là gì? Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Thyristor.

1. Thyristor là gì?

Thyristor hay còn gọi với cái tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử.

Hình 1: Thyristor là gì?

Thyristor có ba cực hoạt động là anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G), nó có  vai trò như một khóa điện tử có điều khiển. Trong đó Thyristor chỉ cho phép dẫn điện từ Anot sang Katot khi cho một dòng điện kích thích vào chân G

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

2. Cấu tạo của Thyristor

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

• A : anode : cực dương
• K : Cathode : cực âm
• G : Gate : cực khiển (cực cổng)

Hình 2: Cấu tạo của Thyristor

Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT 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 điện. Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

3. Nguyên lý hoạt động của Thyristor

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của Thyristor

• Trường hợp cực G để hở hay VG = OV

Khi cực G và VG  = OV có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực B nên T1 ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và VAK ≈ VCC.

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

• Trường hợp đóng khóa K:

VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dòng điện IG chính là IB1  làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 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 trạng thái dẫn  mà không cần có dòng IG liên tục.

IC1 = IB2; IC2 = IB1

Theo nguyên lý này dòng điện qua hai transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai transistor chạy ở trạng thái bão hòa. Khi đó điện áp VAK giảm 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 càng nhỏ tức Thyristor càng dễ dẫn điện.

• Trường hợp phân cực ngược Thyristor.

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

4. Đặc tuyến

Hình 4: Đặc tuyến của Thyristor

I_G = 0   ; I_G2 > I_G1 > I_G

5. Các thông số kỹ thuật

Hình 5: Các thông số kỹ thuật của Thyristor

- Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua mà Thyristor có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này Thyristor bị hư. Khi Thyristor đã dẫn điện VAK khoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua có thể tính theo công thức:

- Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K mà Thyristor chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này Thyristor sẽ bị phá hủy. Điện áp ngược cực đại của Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V.

- Dòng điện kích cực tiểu: IGmin : Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp VAK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G của Thyristor. Dòng IGmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn. Thông thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA.

- Thời gian mở Thyristor: Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để Thyristor có thể chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây.

- Thời gian tắt: Theo nguyên lý Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích. Muốn Thyristor đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng thì phải cho IG = 0 và cho điện áp VAK = 0. để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho VAK = OV phải đủ dài, nếu không VAK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của Thyristor khoảng vài chục micrô giây.

6. Ứng dụng của Thyristor:

Hình 6: Các ứng dụng của Thyristor

Trong mạch điện động cơ M là động cơ vạn năng, loại động cơ có thể dùng điện AC hay DC.

Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dòng IG.

Khi Thyristor chưa dẫn thì chưa có dòng qua động cơ, diode D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR. Điện áp cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2 – R3.

Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là VG = 1V và dòng điện kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phải khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua VR với hằng số thời gian là : T = (R1 + VR)C

Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của Thyristor tức là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ của động cơ thay đổi.

Khi dòng AC có bán kỳ âm thì diode D và Thyristor đều bị phân cực nghịch nên diode ngưng dẫn và Thyristor cũng chuyển sang trạng thái ngưng dẫn.

Hình 7: Các ứng dụng của Thyristor 

7. Các ưu nhược điểm khi sử dụng thyristor là gì ?

Hầu hết mọi thứ khi sử dụng đều có những điểm mạnh và điểm yếu. Và thyristor cũng không ngoại lệ, chúng cũng có những cái làm rất tốt và những cái chưa tốt. Và phần này mình sẽ liệt kệ ra những thứ mà chúng làm tốt và chưa tốt để các bạn có thể biết thêm nhé.

Hình 8: Các ưu - nhược điểm của Thyristor

6.1. Ưu điểm:

Một số ưu điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):

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

6.2. Nhược điểm:

Một số nhược điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):

• Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là thiết bị một chiều, vì vậy nó chỉ 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 được điều khiển bằng thyristor.
• Trong mạch xoay chiều, nó cần phải được bật trên mỗi chu kỳ.
• Không thể sử dụng ở tần số cao.
• Dòng điện ở cổng (gate) không thể âm.