Điốt Shockley là một cấu kiện đặc biệt, nhưng nó được ứng dụng khá hạn chế khi sử dụng đơn lẻ. Tuy nhiên nó lại được sử dụng nhiều khi kết hợp với các phương tiện
“chốt” khác. Khi đó chúng trở thành các cấu kiện khuếch đại (nếu chỉ ở một chế độ dẫn/ngắt), và ta gọi chúng là các cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển Silic (SCR).
Quá trình biến điốt Shockley thành SCR chỉ cần thêm một sợi dây thứ 3 nối vào cấu trúc PNPN như mô tả ở hình vẽ 7.14.
Dòng Anốt: +IA
Dòng điện khiến DIAC dẫn, thông thường 50–200 μA Điện áp đánh thủng, thông
thường 20–40V
Dòng điện đánh thủng, thông thường 50–200 μA
Điện áp khiến DIAC dẫn, thông thường 20-40V
Hình 7.14 – Cấu kiện chỉnh lưu có điều khiển Silic (SCR)
Nguyên lý hoạt động
Nếu cực cổng (gate) của một SCR để hở (không nối) thì nó hoạt động giống như một điốt Shockley. Nó có thể được chốt bởi một điện áp cung cấp đủ lớn để khiến một transistor chuyển sang trạng thái dẫn (breakover voltage) hoặc bằng cách vượt quá tốc độ tới hạn của tăng điện áp giữa Anốt và Catốt, như đối với điốt Shockley. Việc ngắt được thực hiện bằng cách giảm dòng điện cho đến khi một hoặc cả hai transistor bên trong rơi vào trạng thái ngắt, cũng giống như đối với điốt Shockley. Tuy nhiên. Do cực cổng (gate) nối trực tiếp với cực gốc của transistor phía dưới, nó có thể được sử dụng như một phương tiện thay thế để “chốt” SCR. Bằng cách cung cấp một điện áp nhỏ giữa cực cổng và catốt, transistor phía dưới sẽ buộc phải “dẫn” do có dòng cực gốc đủ lớn, và điều này sẽ kéo theo transistor phía trên cũng dẫn, và nó lại cung cấp đủ dòng điện cho cực gốc của transistor phía dưới. Kết quả là sau đó SCR không còn cần được kích hoạt bởi một điện áp cổng nữa. Tất nhiên, dòng cực cổng cần thiết để khởi động việc “chốt” sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với dòng điện chảy qua SCR từ catốt đến anốt, do đó SCR sẽ có khả năng khuếch đại. Phương pháp buộc SCR dẫn điện được gọi là kích hoạt (triggering) và trong thực tế nó là cách thông thường nhất để SCR được “chốt”. Trong thực tế các SCR thường được lựa chọn sao cho điện áp khiến một transistor chuyển sang trạng thái dẫn (breakover voltage) của chúng nhỏ hơn nhiều điện áp lớn nhất hi vọng có được từ nguồn cung cấp, do đó nó có thể dẫn điện chỉ bởi một xung điện áp được cố ý đưa vào cực cổng. Hình 7.15 mô tả đặc tuyến Vôn- Ampe của một SCR.
Sơ đồ vật lý Sơ đồ tương đương Ký hiệu Anốt
Cực cửa
Catốt
Anốt
Cực cửa Catốt
Anốt Cực cửa
Catốt
Hình 7.15 – Đặc tuyến Vôn- Ampe của một SCR
Khi một SCR được phân cực ngược (anốt âm hơn so với catốt), tiếp giáp trung tâm cũng được phân cực ngược và chỉ có một dòng ngược rất nhỏ chảy qua cấu kiện. Nếu điện áp vượt quá điện áp đánh thủng ngược thì dòng ngược sẽ tăng nhanh chóng.
Trong quá trình phân cực ngược (UAC dương) cấu trúc pnpn của SCR có hai trạng thái ổn định ( trạng thái tắt (OFF) - trở kháng cao, trạng thái dẫn (ON) - trở kháng thấp).
Ở trạng thái chặn thuận (OFF) một dòng điện rất nhỏ, gọi là dòng rò, sẽ chảy qua cấu kiện. Độ lớn của dòng này xấp xỉ độ lớn của dòng chặn ngược. Tại điện áp dẫn thuận (forward breakover voltage) dòng điện tăng nhanh chóng và SCR chuyển sang trạng thái dẫn (ON), với một sụt áp rất nhỏ (khoảng 1V) trong trạng thái dẫn thuận. Ở trạng thái dẫn (ON) dòng thuận bị hạn chế bởi trở kháng tải. SCR sẽ duy trì ở trạng thái này cho đến khi dòng anốt giảm xuống dưới dòng giữ (holding current) và sau đó nó trở lại trạng thái tắt (OFF).
Điện áp dẫn (breakover voltage) có thể bị biến đổi khi đưa một tín hiệu vào cực cửa. Khi dòng cực cửa tăng lên, giá trị của điện áp dẫn sẽ trở nên nhỏ đi cho đến khi cấu kiện đi đến trạng thái dẫn (ON). Điều này cho phép một SCR điều khiển một tải công suất cao bằng một tín hiệu công suất rất thấp.
Ngoài việc điều khiển cổng, một SCR cũng có thể được kích hoạt:
bởi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp cực cửa - catốt ( thyristor quang -photothyristor) khi điện áp anốt - catốt tăng lên nhanh chóng
khi nhiệt độ tăng đáng kể
Hoạt động của một SCR có thể dễ dàng được giải thích bằng cách sử dụng mạch tương đương hai transistor (Hình 7.13). Khi một dòng điện được đưa tới cực cửa, T2 dẫn và cực góp (collector) của nó điều khiển cực gốc (base) của T . T dẫn và cực góp của
(Dòng giữ)
(trạng thái dẫn)
(trạng thái tắt)
điện áp khiến một transistor chuyển sang trạng thái dẫn (trạng thái chặn ngược)
điện áp dẫn (điện áp đánh
thủng ngược)
nó điều khiển cực gốc của T2. Người ta chỉ cần dòng cực cửa để kích hoạt cấu kiện còn sau đó có thể giảm dòng này đến 0, bởi vì sau khi được kích hoạt thì hai transistor sẽ điều khiển lẫn nhau.
Để tắt một SCR, dòng anốt phải giảm xuống dưới dòng giữ (holding current).
Trong các mạch một chiều (DC) một số phụ kiện thêm vào phải được sử dụng để đảm bảo điều này. Trong các mạch xoay chiều (AC) một SCR sẽ tắt khi điện áp cung cấp (điện áp anốt) đi qua điểm 0 hướng tới các giá trị âm.
GTO (Gate-Turn-Off Thyristor : Thyristor cổng tắt)
Các SCR “đôi khi” có thể được ngắt bằng cách nối ngắn mạch trực tiếp cực cổng và catốt với nhau, hoặc bằng cách “kích hoạt ngược” cực cổng với một điện áp âm (so với catốt), khi đó transistor phía dưới sẽ buộc phải ở trạng thái ngắt. Ở đây từ “đôi khi”
được sử dụng bởi vì nó liên quan đến việc rẽ nhánh của tất cả dòng cực góp của transistor phía trên chảy qua cực gốc của transistor phía dưới, làm cho việc kích hoạt chế độ ngắt của một SCR trở nên khó khăn nhất. Một biến thể của SCR, được gọi là “thyristor cổng tắt” hay GTO (Gate-Turn-Off thyristor) sẽ làm cho nhiệm vụ này trở nên dễ dàng hơn.
Nhưng thậm chí với một GTO, dòng cực cổng cần thiết để làm nó tắt có thể bằng 20%
dòng (nạp) anốt. Ký hiệu trong mạch của một GTO được biểu diễn ở hình vẽ 7.16.
Hình 7.16 – Thyristor cổng tắt - Gate Turn-Off thyristor (GTO)
Các SCR và GTO có cùng sơ đồ tương đương (gồm hai transistor nối theo kiểu hồi tiếp dương), điều khác biệt duy nhất là cấu trúc được thiết kế để cho phép một transistor NPN có hệ số β lớn hơn hệ số β của transistor PNP. Điều này cho phép một dòng cực cổng nhỏ hơn (thuận hoặc ngược) để tạo ra một mức độ điều khiển lớn hơn áp dụng cho việc dẫn từ catốt sang anốt, với trạng thái chốt của transistor PNP trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào trạng thái chốt của NPN và ngược lại. Thyristor cổng tắt (GTO thyristor) còn được gọi là “chuyển mạch được điều khiển bằng cổng”- Gate-Controlled Switch ( GCS).
Kiểm tra một SCR
Một kiểm tra đơn giản của SCR có thể được thực hiện bằng một Ôm mét. Do kết nối trong giữa cực cổng và catốt là một tiếp giáp PN, một đồng hồ sẽ chỉ thị sự liên tục
Catốt Anốt
Cực cửa
giữa các cực này với đầu que đo màu đỏ nối với cực cổng và đầu que đo màu đen nối với catốt giống như hình vẽ 7.17
Hình 7.17 – Kiểm tra đơn giản một SCR
Các phép đo liên tục khác được thực hiện trên một SCR sẽ hiển thị “open” (“OL”
trên một số màn hình của đồng hồ vạn năng số). Điều này được hiểu là việc kiểm tra này rất thô sơ và không thiết lập một đánh giá toàn diện một SCR. Nó cho phép một SCR có các chỉ thị tốt trên ôm mét mà vẫn có nhược điểm. Cuối cùng thì cách duy nhất để kiểm tra một SCR là đưa một dòng tải vào nó.
Hình 7.18 – SCR lớn có một điện trở nối giữa cực cửa và catốt
Nếu ta đang sử dụng một đồng hồ vạn năng với chức năng “kiểm tra điốt” thì chỉ thị điện áp tiếp giáp cổng - catốt mà ta nhận được có thể hoặc không thể tương ứng với điều mà ta mong muốn ở một tiếp giáp PN silic (xấp xỉ bằng 0,7V). Trong một số trường hợp ta sẽ đọc được một điện áp tiếp giáp nhỏ hơn nhiều: cỡ phần trăm vôn. Điều này là
Anốt
Catốt Cực cửa
Điện trở nối cực cửa và
tốt
do một điện trở trong được nối giữa cực cổng và catốt kết hợp chặt chẽ trong một số SCR. Điện trở được thêm vào này để làm cho SCR ít chịu ảnh hưởng của việc kích hoạt sai do các xung (spike) điện áp giả, từ tạp âm của mạch hoặc từ sự phóng điện tĩnh. Nói cách khác, việc một điện trở nối ngang giữa tiếp giáp cực cửa và catốt sẽ yêu cầu cung cấp một tín hiệu kích hoạt mạnh (dòng lớn) để chốt SCR. Đặc điểm này thường thấy ở các SCR lớn, còn các SCR nhỏ thì không có. Nên nhớ rằng một SCR với một điện trở trong nối giữa cực cổng và catốt sẽ chỉ ra tính liên tục theo cả hai hướng giữa hai cực này. Hình 7.18
Các SCR thông thường là các SCR không có điện trở trong nối giữa cực cửa và catốt, đôi khi còn được gọi là các SCR có cổng nhạy do ta chỉ cần dùng một tín hiệu dương rất nhỏ đưa vào cực cửa là có thể kích hoạt cho chúng.
Mạch kiểm tra một SCR hoạt động như một công cụ chuẩn đoán để kiểm tra các SCR bị nghi ngờ và nó đồng thời hỗ trợ thiết thực cho việc hiểu rõ hoạt động cơ bản của SCR. Một nguồn điện áp một chiều được dùng để cấp nguồn cho mạch, hai nút bấm được dùng để chốt và không chốt SCR tương ứng.
Hình 7.19 – Mạch kiểm tra SCR
Kích thích nút bấm mà thường mở ở trạng thái bật “on” để nối cực cửa với anốt, khi đó dòng electron sẽ chảy từ cực âm của pin, đi qua tiếp giáp PN catốt-cực cửa (cathode-gate PN junction), qua nút bấm, qua điện trở nạp và quay trở lại cực dương của pin. Dòng cực cửa này sẽ buộc SCR chốt, cho phép dòng điện chạy trực tiếp từ catốt tới anốt mà không phải kích thích thêm qua cực cửa. Khi nút bấm bật “on” được nhả ra, tải vẫn có điện.
Nhấn nút bấm thường đóng “off” sẽ làm ngưng mạch, buộc dòng điện chạy qua SCR ngừng lại, và do đó buộc SCR tắt (có dòng rất nhỏ chảy qua).
Nếu SCR không chốt được thì nguyên nhân có thể là do tải chứ không phải là do SCR. SCR cần một lượng nhỏ nhất nào đó của dòng tải để giữ cho SCR chốt ở trạng thái bật “on”. Lượng dòng nhỏ nhất này được gọi là dòng giữ (holding current). Một tải có giá trị quá lớn có thể không tạo đủ dòng cần thiết để giữ một SCR ở trạng thái chốt khi dòng cực cửa giảm đi, do đó tạo ra cảm giác là SCR trong mạch kiểm tra bị hỏng, và đây
SCR đang được kiểm tra
là cảm giác sai. Giá trị của dòng giữ (holding current) của các SCR khác nhau được các nhà sản xuất quy định. Giá trị của dòng giữ điển hình có phạm vi từ 1 mA đến 50 mA hay cao hơn đối với các SCR lớn hơn.
Để kiểm tra một cách toàn diện, ngoài kiểm tra việc kích hoạt còn cần kiểm tra thêm các thứ khác. Giới hạn điện áp dẫn thuận (forward breakover voltage) của SCR có thể được kiểm tra bằng cách tăng nguồn điện áp cung cấp một chiều (không có việc kích hoạt các nút bấm) cho đến khi SCR chốt ở trạng thái bật. Chú ý rằng việc kiểm tra điện áp dẫn có thể cần đến điện áp rất cao: rất nhiều SCR công suất có điện áp dẫn khoảng 600V hoặc cao hơn. Cũng như vậy, nếu có một bộ tạo xung điện áp, tốc độ tới hạn của việc tăng điện áp đối với SCR có thể được kiểm tra theo cùng một cách: đưa nó ra để tạo nhịp các điện áp cung cấp mà có các tốc độ V/thời gian khác nhau nhưng không kích hoạt các nút bấm và quan sát khi nào nó sẽ chốt.
Ứng dụng của SCR:
Ở dạng đơn giản, mạch kiểm tra SCR làm việc như một mạch điều khiển khởi động/dừng (start/stop) cho một môtơ một chiều, đèn, hoặc các tải thực khác. Hình 7.20
Hình 7.20 – Mạch điều khiển khởi động/dừng (start/stop) cho một môtơ một chiều
Một ứng dụng khác của SCR trong mạch một chiều là thiết bị đòn bẩy (crowbar) để bảo vệ quá áp. Một mạch đòn bẩy (crowbar) bao gồm một SCR mắc song song với đầu ra của một nguồn cung cấp DC, để đặt một ngắn mạch trực tiếp lên đầu ra của nguồn cung cấp đó để bảo vệ việc quá áp trên tải. Để bảo vệ SCR và nguồn cung cấp không bị phá hỏng ta đặt đúng cách một cầu chì hoặc một điện trở nối tiếp có giá trị lớn ở phía trước của SCR để hạn chế dòng ngắn mạch. Hình 7. 21
SCR đang được kiểm tra Mô tơ
Hình 7.21 – Mạch đòn bẩy dùng trong nguồn cung cấp DC
Một số cấu kiện hoặc mạch nhận biết điện áp ra sẽ được nối với cực cửa của SCR, do đó khi có quá tải điện áp sẽ được cấp giữa cực cửa và catốt, kích hoạt SCR và buộc cầu chì nổ. Tác động sẽ gần giống như việc thả một đòn bẩy kim loại rắn trực tiếp ngang qua các cổng đầu ra của nguồn cung cấp, vì thế mạch mới có tên như vậy.
Phần lớn các ứng dụng của SCR là dùng để điều khiển công suất AC, mặc dù sự thật là các SCR vốn là các cấu kiện DC. Nếu mạch điện là xoay chiều thì phải sử dụng nhiều SCR với một SCR hoặc nhiều hơn ở mỗi hướng để xử lý dòng điện ở cả hai nửa chu kỳ của sóng AC. Lý do chính để các SCR đựơc sử dụng cho các ứng dụng điều khiển công suất AC đó là đáp ứng độc đáo của một thyristor đối với dòng xoay chiều. Như ta đã biết, DIAC là một cấu kiện có trễ, nó được kích hoạt sang trạng thái bật “on” trong một phần của nửa chu kỳ AC và duy trì ở trạng thái đó trong suốt phần còn lại của nửa chu kỳ cho đến khi dòng AC giảm đến 0, khi đó nó phải bắt đầu nửa chu kỳ kế tiếp. Ngay trước điểm đi qua 0 của dạng sóng dòng điện, thyristor sẽ tắt do không đủ dòng điện (đặc điểm này là sự đảo mạch tự nhiên-natural commutation) và lại phải được kích hoạt sang trạng thái bật trong chu kỳ kế tiếp. Kết quả là dòng điện trong mạch tương đương với một sóng sin bị chặt ra ("chopped up"). Xem hình 7.12
Với DIAC, giới hạn của điện áp dẫn (breakover voltage) là một số cố định. Với SCR ta có được điều khiển chính xác là khi cấu kiện trở nên bị chốt bởi kích hoạt cực cổng tại bất cứ thời điểm nào trên dạng sóng. Bằng cách nối một mạch điều khiển phù hợp vào cực cổng của một SCR, ta có thể “chặt” sóng sin tại bất cứ điểm nào để cho phép điều khiển công suất tỉ lệ theo thời gian từ một nguồn AC tới một tải.
Bộ lọc
Nguồn cung cấp xoay chiều
Bộ chỉnh lưu
Cầu chì
Tải Biến áp
Đòn bẩy (để đơn giản, không vẽ mạch kích hoạt)
Ví dụ xem hình 7.22, ở đây có một SCR đặt trong mạch để điều khiển công suất tới tải từ một nguồn AC.
Hình 7.22 – Mạch dùng SCR để điều khiển công suất xoay chiều
SCR là một cấu kiện đơn hướng nên ta chỉ có thể đưa công suất trong nửa chu kỳ dương của điện áp xoay chiều (cực dương ở trên, cực âm ở dưới) đến tải. Tuy nhiên, để minh hoạ khái niệm cơ bản của việc điều khiển tỉ lệ theo thời gian, mạch đơn giản này minh hoạ tốt hơn một mạch mạch điều khiển công suất toàn sóng (mạch này yêu cầu có hai SCR).
Khi cực cửa không được kích hoạt và điện áp nguồn xoay chiều nhỏ hơn tỉ số điện áp dẫn (breakover voltage) của SCR thì SCR sẽ không bao giờ bật (dẫn). Nối cực cổng của SCR với anốt thông qua một điốt chỉnh lưu tiêu chuẩn (để bảo vệ dòng ngược chảy qua cổng khi SCR có một điện trở nối trong giữa cực cổng và catốt), sẽ cho phép SCR được kích hoạt gần như ngay lập tức tại các thời điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ dương.
Hình 7.23.
Hình 7.23 – Cực cổng nối trực tiếp với anốt thông qua một điốt; gần như toàn bộ dòng nửa chu kỳ chảy qua tải.
Nguồn xoay chiều
Tải
Điện áp nguồn xoay chiều
Dòng tải Nguồn
xoay chiều
Tải