Điện máy kim biên

Thyristor là một từ khóa quan trọng trong lĩnh vực điện tử và công nghệ điện. Từ khóa “thyristor là gì” gợi mở cho chúng ta khám phá sự hoạt động và ứng dụng của thiết bị này trong thế giới công nghệ hiện đại. Hãy cùng tìm hiểu về khái niệm và vai trò của thyristor trong các hệ thống điện và điện tử ngày nay.

Thyristor là gì?

Thyristor, còn được gọi là chỉnh lưu silic có điều khiển, là một linh kiện bán dẫn phổ biến được sử dụng trong các thiết bị điện tử ngày nay. Tên đầy đủ của nó là Silicon Controlled Rectifier. Thyristor bao gồm bốn lớp bán dẫn và được xem như một loại điốt có khả năng điều khiển. Nó được hình thành bằng cách kết hợp hai transistor đối nghịch hai chiều. Thyristor sẽ hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt khi không có điện, quay trở lại trạng thái ngưng dẫn ban đầu. Công dụng chính của thyristor là điều khiển dòng điện chỉnh lưu.

Lịch sử hình thành phát triển Thyristor

Thyristor được đề xuất vào những năm 1950 bởi William Shockley và được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bell Labs, Mỹ, dưới sự bảo vệ của Moll và một số nhà nghiên cứu khác. Sự phát triển ban đầu của thyristor được tiến hành bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) dưới sự chỉ đạo của Gordon Hall và sau đó được thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric vào năm 1957. Đây là một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ điều khiển điện tử.

Thời điểm này, thyristor được coi là một thành tựu quan trọng trong việc tạo ra một công cụ điều khiển điện năng mạnh mẽ. Nó đã mở ra khả năng điều khiển dòng điện một chiều với khả năng chịu tải cao và hiệu suất cao. Thyristor đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp điện tử, điều khiển động cơ, điện tử công suất, hệ thống điện năng, điều khiển ánh sáng và nhiều lĩnh vực khác.

Các công nghệ và thiết kế thyristor đã liên tục được cải tiến trong suốt nhiều năm. Những tiến bộ trong vật liệu bán dẫn và quy trình sản xuất đã làm tăng khả năng chịu tải, tốc độ chuyển đổi và hiệu suất của thyristor. Các phiên bản cải tiến của thyristor, chẳng hạn như GTO (Gate Turn-Off) thyristor và IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau.

Cấu tạo của Thyristor

Thyristor được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P-N được kết hợp xen kẽ và có ba chân kết nối như sau:

Chân A (Anode): Được ký hiệu là cực dương.

Chân K (Cathode): Được ký hiệu là cực âm.

Chân G (Gate): Được ký hiệu là cực điều khiển (cực cổng).

Ký hiệu của Thyristor là gì

So với một diode thông thường, thyristor có kí hiệu tương đồng. Một diode cho phép dòng điện chạy từ điểm A đến điểm K khi điện áp tại A cao hơn điện áp tại K. Tuy nhiên, để kích hoạt thyristor, điều kiện này vẫn cần được đáp ứng. Ngoài ra, thyristor còn yêu cầu một điều kiện bổ sung, đó là phải có một dòng điều khiển được kích thích vào chân G.

Thyristor có những loại nào

Có một số loại thyristor khác nhau với các chức năng và tính năng riêng. Dưới đây là các loại thyristor và tên chính xác tương ứng:

Thyristor điều khiển silic (Silicon Controlled Rectifier) – SCR.

Thyristor cổng tắt (Gate Turn-Off Thyristor) – GTO.

Thyristor cực phát tắt (Emitter Turn-Off Thyristor) – ETOs.

Thyristor dẫn điện ngược (Reverse Conducting Thyristor) – RCT.

Thyristor Triode hai chiều (Triode Alternating Current Switch) – TRIAC.

Thyristor MOS tắt (MOS Turn-Off Thyristor) – MTO.

Thyristor điều khiển pha hai chiều (Bidirectional Controlled Thyristor) – BCT.

Thyristor chuyển đổi nhanh (Fast Switching SCR) – SCR.

Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng (Light Activated Silicon Controlled Rectifier) – LASCR.

Thyristor kiểm soát FET (Field-Effect Transistor Controlled Thyristor) – FET-CTHs.

Thyristor tích hợp cổng (Integrated Gate-Commutated Thyristor) – IGCT.

Mỗi loại thyristor có ứng dụng và đặc điểm riêng, đáp ứng nhu cầu điều khiển và chuyển đổi điện năng trong các hệ thống và thiết bị khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của Thyristor

Trường hợp 1: Cực G không đóng VG=0V

Trong trường hợp này, transistor T1 không được polarized (phân cực) tại cực B, dẫn đến T1 ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn, IB1 = 0, IC1 = 0 và do đó T2 cũng ngưng dẫn. Vì vậy, trong trường hợp này, thyristor không dẫn điện. Dòng điện qua thyristor là IA = 0 và điện áp VAK gần bằng VCC.

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên một mức đủ lớn đến điện áp bão hoà VBO, điện áp VAK giảm như một diode và dòng điện IA tăng nhanh chóng. Lúc này, thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện tương ứng với khi điện áp VAK giảm nhanh được gọi là dòng điện duy trì IH (Holding). Sau đó, đặc tính của thyristor tương tự như một diode tiếp điện.

Trường hợp 2: Khi đóng khóa K

Trong trường hợp này, công thức VG = VDC – IGRG được áp dụng. Khi áp điều khiển VG được đặt theo công thức trên, thyristor dễ dàng chuyển sang trạng thái dẫn điện. Trong trạng thái này, transistor T1 được phân cực ở cực B1, dẫn đến dòng điện IG tạo ra dòng điện IB1, làm cho T1 dẫn điện. Điều này dẫn đến dòng điện IC1, tương đương với dòng điện IB2, khiến cho I2 cũng dẫn điện. Đồng thời, dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1. Nhờ vào quá trình này, thyristor có thể duy trì trạng thái dẫn điện mà không cần dòng điện IG liên tục.

IC1=IB2, IC2=IB1

Theo nguyên lý này, dòng điện được khuếch đại qua hai transistor một cách tăng dần. Trạng thái hoạt động của hai transistor sẽ tiến gần đến trạng thái bão hòa. Trong quá trình này, điện áp VAK (giữa anode và cathode) giảm xuống một mức rất nhỏ (khoảng 0,7V).

Góc kích SCR là gì? Phương pháp điều chỉnh phù hợp

Thực nghiệm đã cho thấy rằng khi dòng điện được cung cấp cho cực Gate (G) càng lớn, áp ngăn (thuận) giữa anode và cathode sẽ càng nhỏ đi. Điều này có nghĩa là Thyristor sẽ trở nên dễ dẫn điện hơn.

Trường hợp 3: Phân cực ngược Thyristor

Phân cực ngược của Thyristor xảy ra khi nối điện cực A với cực âm và nối điện cực K với cực dương của nguồn điện VCC. Trong trường hợp này, Thyristor sẽ có nhiều tính chất tương tự như một diode bị phân cực ngược. Nó không dẫn điện và chỉ có một dòng rất nhỏ đi qua. Khi điện áp ngược tăng lên đủ lớn, Thyristor sẽ bị đánh thủng.

Giá trị điện áp ngược đủ lớn để đánh thủng Thyristor được ký hiệu là VBR. Thông thường, giá trị của VBR và VBO là bằng nhau nhưng có dấu ngược nhau.

IG=0, IG2>IG1>IG

Thông số kỹ thuật của Thyristor

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

Dưới đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với một điều kiện: nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép. Tuy nhiên, trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như điều kiện làm mát và môi trường xung quanh. Sử dụng làm mát tự nhiên có thể không đạt hiệu suất cao, do đó, khi yêu cầu cao hơn, người ta thường sử dụng quạt gió hoặc hệ thống làm mát bằng nước để làm mát cưỡng bức thyristor. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là kích thước thiết bị có thể tăng đáng kể. Bạn có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng được giới hạn lên tới 1/3 dòng tối đa cho phép Iv,tb.

Làm mát cưỡng bức bằng quạt: Dòng sử dụng được giới hạn lên tới 2/3 dòng tối đa cho phép Iv,tb.

Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng tới 100% dòng tối đa cho phép Iv,tb.

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

Giới hạn điện áp ngược tối đa cho thyristor là giá trị quan trọng nhất. Trong các ứng dụng, cần đảm bảo rằng điện áp giữa anode và cathode (Uak) luôn nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn tối đa Ung,max tại bất kỳ 1 thời điểm nào. Ngoài ra, cần có một độ dự trữ điện áp nhất định, tức là Ung,max phải được chọn tối thiểu là 1,2 – 1,5 lần giá trị biên độ tối đa của điện áp trong mạch.

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

Thời gian tối thiểu để đặt điện áp âm lên giữa anode và cathode của thyristor sau khi dòng anode-cathode đã trở về bằng không là rất quan trọng để thyristor có thể khóa lại với một điện áp dương Uak. Thông số τ được coi là cực kỳ quan trọng cho thyristor này. Thông thường, thời gian cần dành cho quá trình khóa phải được đảm bảo là khoảng 1,5-2 lần τ.

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

Phần tử bán dẫn thyristor là một loại thiết bị có khả năng điều khiển. Điều này có nghĩa là mặc dù nó được cấp điện thuận (Uak>0), nhưng để cho dòng điện chạy qua nó, cần có một tín hiệu điều khiển. Khi thyristor được cấp điện thuận, hầu hết điện áp sẽ rơi trên lớp tiếp giáp J2.

Lớp tiếp giáp J2 bị cấp điện ngược, do đó nó mở rộng tạo thành một vùng không gian nghèo điện tích, từ đó làm trở ngại cho dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể xem như một tụ điện có điện dung Cj2. Khi có sự biến đổi nhanh chóng của điện áp, dòng điện qua tụ sẽ đóng vai trò như tín hiệu điều khiển.

Kết quả là thyristor có thể mở ra mà không cần có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng của điện áp là một thông số quan trọng để phân biệt thyristor tần số thấp và thyrister tần số cao. Đối với thyristor tần số thấp, tốc độ tăng của điện áp dU/dt thường nằm trong khoảng 50-200 V/μs. Trong khi đó, đối với thyristor tần số cao, tốc độ tăng của điện áp dU/dt có thể lên đến 500-2000 V/μs.

Cách kiểm tra Thyristor bằng đồng hồ vạn năng

Tham khảo giá: bộ điều khiển công suất scr

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo và kiểm tra thyristor. Việc kiểm tra thyristor đóng một vai trò quan trọng đối với các thiết bị đã cũ và được sử dụng trong thời gian dài, do đó việc kiểm tra thường xuyên là rất quan trọng.

Dưới đây, chúng tôi sẽ chia sẻ với bạn cách đo kiểm tra thyristor bằng cách sử dụng đồng hồ thang x1W. Đầu tiên, đặt que đen vào anode và que đỏ vào cathode. Ban đầu, kim của đồng hồ sẽ không di chuyển. Sau đó, khi dùng tua vít chập chân A vào chân G, ta sẽ thấy kim đồng hồ di chuyển dần. Khi bỏ tua vít ra, ta sẽ thấy kim đồng hồ vẫn di chuyển. Như vậy, từ các quan sát và kiểm tra này, ta có thể kết luận rằng thyristor này là tốt.

Ưu nhược điểm khi sử dụng Thyristor là gì

Ưu điểm

Có thể dễ dàng xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn nhờ sự linh hoạt của nó.

Được bảo vệ bằng cầu chì để đảm bảo an toàn hoạt động.

Rất dễ dàng để bật.

Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) có thiết kế đơn giản và hiệu quả.

Dễ dàng kiểm soát và điều chỉnh.

Chi phí thấp, phù hợp với nhiều ngân sách.

Có khả năng được điều khiển bằng nguồn điện xoay chiều.

Nhược điểm

Bộ điều khiển bán dẫn bán cầu (SCR) là một thiết bị hoạt động với nguồn điện một chiều. Vì vậy, nó chỉ có thể điều khiển công suất trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Điều này có nghĩa là chỉ có nguồn điện một chiều mới có thể được điều khiển bằng thyristor.

Trong mạch xoay chiều, thyristor phải được bật trong mỗi chu kỳ để hoạt động đúng.

Tuy nhiên, không thể sử dụng thyristor ở tần số cao.

Ngoài ra, dòng điện ở cổng (gate) của thyristor không thể là âm.

Ứng dụng của Thyristor là gì

Vào năm 1956, thiết bị thyristor đầu tiên được sản xuất cho mục đích thương mại, và nó đã có ứng dụng rộng trong việc điều chỉnh ánh sáng, công suất điện và điều khiển tốc độ động cơ điện. Một thiết bị thyristor nhỏ có thể kiểm soát một lượng lớn điện áp và năng lượng.

Trước đây, thyristor được sử dụng để ngắt dòng điện và không thể dừng hoạt động của thiết bị do sự tồn tại của dòng điện trực tiếp. Tuy nhiên, hiện nay, chúng ta có thể bật và tắt thiết bị hoàn toàn bằng cách sử dụng tín hiệu cổng điều khiển. Do đó, thyristor hiện được sử dụng như công tắc, không phù hợp để làm bộ khuếch đại analog.

Thực tế cho thấy, thyristor chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện cao, đặc biệt là trong điều khiển dòng xoay chiều AC. Thiết bị có thể tự động đóng cắt (được biết đến như quá trình Zero Cross) khi dòng điện chuyển đổi cực tính tại điểm gần 0 của điện áp hình sin.