Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon

Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR)

Bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng silicon (SCR), còn được gọi là thyristor, là một thành phần điện công suất cao. Nó có ưu điểm là kích thước nhỏ, hiệu quả cao và tuổi thọ dài. Trong các hệ thống điều khiển tự động, nó có thể được sử dụng làm bộ điều khiển công suất cao để điều khiển các thiết bị công suất cao có bộ điều khiển công suất thấp. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ AC và DC, hệ thống điều chỉnh nguồn và hệ thống servo.

Có hai loại thyristor: thyristor một chiều và thyristor hai chiều. Thyristor hai chiều hay còn gọi là thyristor hai chiều ba cực, viết tắt là TRIAC. Thyristor hai chiều có cấu trúc tương đương với hai thyristor một chiều được mắc ngược chiều và loại thyristor này có chức năng dẫn hai chiều. Trạng thái bật/tắt của nó được xác định bởi cực điều khiển G. Việc thêm một xung dương (hoặc âm) vào cực điều khiển G có thể làm cho nó dẫn theo hướng thuận (hoặc ngược). Ưu điểm của thiết bị này là mạch điều khiển đơn giản, không có vấn đề chịu được điện áp ngược nên đặc biệt thích hợp để sử dụng làm công tắc xoay chiều không tiếp điểm.

1 cấu trúc SCR

Chúng tôi đang sử dụng thyristor một chiều, còn được gọi là thyristor thông thường. Chúng được cấu tạo từ bốn lớp vật liệu bán dẫn, có ba tiếp giáp PN và ba điện cực bên ngoài [Hình 2 (a)]: điện cực dẫn ra khỏi lớp bán dẫn loại P đầu tiên được gọi là cực dương A, điện cực dẫn ra khỏi lớp bán dẫn loại P đầu tiên được gọi là cực dương A, điện cực dẫn ra khỏi lớp bán dẫn loại P đầu tiên được gọi là cực dương. Lớp bán dẫn loại P thứ ba được gọi là điện cực điều khiển G, và điện cực dẫn ra khỏi lớp bán dẫn loại N thứ tư được gọi là cực âm K. Từ ký hiệu Điện tử của thyristor [Hình. 2 (b)], chúng ta có thể thấy nó là một thiết bị dẫn điện một chiều giống như diode. Điều quan trọng là thêm một điện cực điều khiển G, khiến nó có đặc tính hoạt động hoàn toàn khác với diode.

Thiết bị đầu cuối bốn lớp ba P1N1P2N2, dựa trên tinh thể đơn silicon làm vật liệu cơ bản, bắt đầu hoạt động vào năm 1957. Do đặc điểm của nó tương tự như thyristor chân không, nên nó thường được quốc tế gọi là thyristor silicon, viết tắt là thyristor T. Ngoài ra, bởi vì thyristor ban đầu được sử dụng trong chỉnh lưu tĩnh, chúng còn được gọi là các phần tử chỉnh lưu điều khiển bằng silicon, viết tắt là thyristor SCR.

Về hiệu suất, bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon không chỉ có độ dẫn điện đơn mà còn có khả năng điều khiển có giá trị hơn các thành phần chỉnh lưu bằng silicon (thường được gọi là"silic chết"). Nó chỉ có hai trạng thái: bật và tắt.

Thyristor có thể điều khiển các thiết bị cơ điện công suất cao với dòng điện cấp miliampe. Nếu vượt quá công suất này, dòng điện trung bình cho phép đi qua sẽ giảm do tổn thất chuyển mạch thành phần tăng đáng kể. Tại thời điểm này, dòng điện danh nghĩa nên được hạ cấp để sử dụng.

Thyristor có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như điều khiển công suất cao bằng công suất thấp và hệ số khuếch đại công suất có thể đạt tới vài trăm nghìn lần; Phản hồi cực nhanh, bật tắt trong vòng micro giây; Không có hoạt động tiếp xúc, không có tia lửa, không có tiếng ồn; Hiệu quả cao, chi phí thấp, v.v.

Thyristor chủ yếu được phân loại theo hình dáng bên ngoài như hình bu lông, hình tấm phẳng và hình đáy phẳng.

Cấu tạo các linh kiện thyristor

Bất kể hình dáng bên ngoài của thyristor như thế nào, lõi của chúng là cấu trúc P1N1P2N2 bốn lớp bao gồm silicon loại P và silicon loại N. Xem Hình 1. Nó có ba điểm nối PN (J1, J2, J3), với cực dương A được đưa vào từ lớp P1 của cấu trúc J1, cực âm K được đưa vào từ lớp N2 và điện cực điều khiển G được đưa vào từ lớp P2. Vì vậy, nó là một thiết bị bán dẫn bốn lớp, ba đầu cuối.

2 nguyên lý hoạt động

Các nguyên tố cấu trúc

Thyristor là phần tử cấu trúc đầu cuối bốn lớp ba P1N1P2N2 với ba điểm nối PN. Khi phân tích nguyên lý, nó có thể được coi là bao gồm một bóng bán dẫn PNP và một bóng bán dẫn NPN, và sơ đồ tương đương của nó được thể hiện trong hình bên phải. Thyristor hai chiều: Thyristor hai chiều là một thiết bị chỉnh lưu điều khiển bằng silicon, còn được gọi là TRIAC. Thiết bị này có thể đạt được khả năng điều khiển không tiếp xúc của nguồn điện xoay chiều trong các mạch, điều khiển dòng điện lớn với dòng điện nhỏ. Nó có ưu điểm là không có tia lửa, hoạt động nhanh, tuổi thọ dài, độ tin cậy cao và cấu trúc mạch đơn giản. Nhìn bề ngoài, thyristor hai chiều rất giống với thyristor thông thường, có ba điện cực. Tuy nhiên, ngoại trừ một điện cực G vẫn được gọi là điện cực điều khiển, hai điện cực còn lại thường không còn được gọi là cực dương và cực âm mà gọi chung là điện cực chính Tl và T2. Ký hiệu của nó cũng khác với ký hiệu của thyristor thông thường, được vẽ bằng cách đảo ngược kết nối của hai thyristor với nhau, như trong Hình 2. Mô hình của nó thường được biểu thị bằng"3CTS"hoặc"KS"ở Trung Quốc; Dữ liệu nước ngoài cũng có thể được biểu diễn bằng 'TRIAC'. Thông số kỹ thuật, model, hình thức và cách sắp xếp chân điện cực của thyristor hai chiều khác nhau tùy theo nhà sản xuất, nhưng hầu hết các chân điện cực của nó được sắp xếp từ trái sang phải theo thứ tự T1, T2 và G (khi quan sát, các chân điện cực được sắp xếp theo thứ tự: hướng xuống dưới và hướng về phía được đánh dấu bằng ký tự). Hình dáng bên ngoài và cách sắp xếp chân điện cực của thyristor hai chiều có cấu trúc bọc nhựa phổ biến nhất trên thị trường được thể hiện trong Hình 1.

3 đặc điểm SCR

Để hiểu trực quan đặc tính làm việc của thyristor, chúng ta cùng xem bảng giảng dạy này (Hình 3). Thyristor VS mắc nối tiếp với bóng đèn nhỏ EL và nối với nguồn điện một chiều thông qua công tắc S. Chú ý cực dương A nối với cực dương của nguồn điện, cực âm K nối với cực âm của nguồn điện. nguồn và điện cực điều khiển G được nối với cực dương của nguồn điện 1,5V DC thông qua công tắc nút SB (ở đây sử dụng thyristor loại KP1 và nếu sử dụng thyristor loại KP5 thì chúng phải được kết nối với cực dương của nguồn điện 3V DC). Phương thức kết nối giữa thyristor và nguồn điện được gọi là kết nối thuận, nghĩa là điện áp dương được đặt vào cả cực dương và cực điều khiển của thyristor. Bật công tắc nguồn S nhưng bóng đèn nhỏ không sáng chứng tỏ thyristor không dẫn điện; Nhấn lại nút công tắc SB để nhập điện áp kích hoạt vào cực điều khiển. Bóng đèn nhỏ sáng lên chứng tỏ thyristor đang dẫn điện. Thí nghiệm trình diễn này đã mang lại cho chúng ta nguồn cảm hứng gì?

Thí nghiệm này cho chúng ta biết rằng để làm cho thyristor dẫn điện, một là đặt một điện áp thuận giữa cực dương A và cực âm K của nó, và cách còn lại là đưa điện áp kích hoạt thuận giữa điện cực điều khiển G và cực âm K của nó vào. Sau khi bật thyristor bật, nhả nút công tắc, loại bỏ điện áp kích hoạt và vẫn duy trì trạng thái dẫn điện.

4 Đặc điểm của SCR

Chỉ trong một cú chạm. Tuy nhiên, nếu đặt một điện áp ngược vào cực dương hoặc điện cực điều khiển thì thyristor không thể dẫn điện. Chức năng của cực điều khiển là bật thyristor bằng cách cấp xung kích hoạt thuận nhưng không thể tắt được. Vậy có thể dùng phương pháp nào để tắt thyristor dẫn điện? Bằng cách tắt thyristor dẫn điện, nguồn điện anode (công tắc S trong Hình 3) có thể bị ngắt kết nối hoặc dòng điện anode có thể giảm xuống giá trị tối thiểu cần thiết để duy trì tính liên tục (gọi là dòng bảo trì). Nếu có điện áp xoay chiều hoặc điện áp DC dao động đặt vào giữa cực dương và cực âm của thyristor, thyristor sẽ tự động tắt khi điện áp vượt qua 0.

Loại ứng dụng

Hình 4 thể hiện đường cong đặc tính của thyristor hai chiều.

Như thể hiện trong hình, đường cong đặc tính của thyristor hai chiều bao gồm các đường cong trong góc phần tư thứ nhất và thứ ba. Đường cong ở góc phần tư thứ nhất chỉ ra rằng khi điện áp đặt vào điện cực chính làm cho Tc có cực dương về phía T1 thì gọi là điện áp thuận và được biểu thị bằng ký hiệu U21. Khi điện áp này tăng dần đến điện áp điểm rẽ UBO, thyristor ở phía bên trái của Hình 3 (b) sẽ kích hoạt dẫn điện và dòng điện ở trạng thái bật lúc này là I21, chạy từ T2 đến Tl. Từ hình vẽ có thể thấy dòng điện kích hoạt càng lớn thì điện áp quay càng thấp. Tình huống này phù hợp với định luật dẫn điện kích hoạt của thyristor thông thường. Khi điện áp đặt vào điện cực chính làm cho Tl có cực tính dương hướng về T2 thì gọi là điện áp ngược và được ký hiệu bằng ký hiệu U12. Khi điện áp này đạt tới giá trị điện áp điểm rẽ, thyristor ở bên phải Hình 3(b) sẽ kích hoạt dẫn điện và dòng điện lúc này là I12, có chiều từ T1 đến T2. Tại thời điểm này, đường cong đặc tính của thyristor hai chiều được thể hiện ở góc phần tư thứ ba của Hình 4.

Bốn phương pháp kích hoạt

Do trên điện cực chính của thyristor hai chiều, nó có thể được kích hoạt và dẫn điện bất kể điện áp thuận hay ngược được áp dụng và tín hiệu kích hoạt là thuận hay lùi, nên nó có bốn phương pháp kích hoạt sau: ( 1) Khi điện áp do điện cực chính T2 đặt vào Tl là điện áp thuận thì điện áp do điện cực điều khiển G đặt vào điện cực thứ nhất Tl cũng là tín hiệu kích hoạt thuận (Hình 5a). Sau khi thyristor hai chiều kích hoạt dẫn điện, hướng dòng I2l chạy từ T2 sang T1. Từ đường cong đặc tính, có thể thấy rằng định luật dẫn truyền của bộ kích hoạt thyristor hai chiều được thực hiện theo đặc điểm của góc phần tư thứ hai, và do tín hiệu kích hoạt theo hướng thuận nên bộ kích hoạt này được gọi là"kích hoạt chuyển tiếp góc phần tư thứ nhất"hoặc phương pháp kích hoạt I+. (2) Nếu điện áp thuận vẫn được đặt vào điện cực chính T2 và tín hiệu kích hoạt được thay đổi thành tín hiệu ngược (Hình 5b), thì sau khi thyristor hai chiều kích hoạt dẫn truyền, hướng của dòng điện ở trạng thái bật vẫn là từ T2 đến T1. Chúng tôi gọi trình kích hoạt này là"yếu tố kích hoạt tiêu cực ở góc phần tư thứ nhất"hoặc phương pháp I-trigger. (3) Hai điện cực chính được đặt với điện áp ngược U12 (Hình 5c) và tín hiệu kích hoạt thuận được đưa vào. Sau khi bật thyristor hai chiều, dòng điện ở trạng thái bật sẽ chuyển từ T1 sang T2. Thyristor hai chiều hoạt động theo đường đặc tính của góc phần tư thứ ba nên bộ kích hoạt này được gọi là phương pháp kích hoạt III+. (4) Hai điện cực chính vẫn đặt điện áp ngược U12 và đầu vào là tín hiệu kích hoạt ngược (Hình 5d). Sau khi bật thyristor hai chiều, dòng điện ở trạng thái bật vẫn chạy từ T1 đến T2. Kích hoạt này được gọi là III touch

(4) Hai điện cực chính vẫn đặt điện áp ngược U12 và đầu vào là tín hiệu kích hoạt ngược (Hình 5d). Sau khi bật thyristor hai chiều, dòng điện ở trạng thái bật vẫn chạy từ T1 đến T2. Trình kích hoạt này được gọi là phương pháp kích hoạt III. Mặc dù thyristor hai chiều có bốn phương pháp kích hoạt ở trên, nhưng điện áp và dòng điện kích hoạt cần thiết để kích hoạt tín hiệu âm là tương đối nhỏ. Công trình có độ tin cậy tương đối cao nên các phương pháp kích hoạt tiêu cực được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

5 Mục đích

Công dụng cơ bản nhất của thyristor thông thường là chỉnh lưu có thể điều khiển được. Mạch chỉnh lưu diode quen thuộc thuộc mạch chỉnh lưu không điều khiển được. Nếu thay thế diode bằng thyristor, mạch chỉnh lưu có thể điều khiển được có thể được hình thành. Lấy mạch chỉnh lưu điều khiển nửa sóng một pha đơn giản nhất làm ví dụ, trong nửa chu kỳ dương của điện áp xoay chiều hình sin U2, nếu cực điều khiển của VS không đưa vào xung kích hoạt Ug thì VS vẫn không thể dẫn điện. Chỉ khi U2 ở nửa chu kỳ dương và xung kích hoạt Ug được đưa vào cực điều khiển thì thyristor mới được kích hoạt dẫn điện. Vẽ dạng sóng của nó (c) và (d), và chỉ khi xung kích hoạt Ug đến thì mới có điện áp UL đầu ra trên tải RL. Ug đến sớm và thời gian dẫn thyristor sớm; Ug đến muộn và thời gian dẫn điện của thyristor cũng muộn hơn. Bằng cách thay đổi thời gian khi xung kích hoạt Ug đến cực điều khiển, điện áp đầu ra trung bình UL trên tải có thể được điều chỉnh. Trong công nghệ điện, nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều thường được đặt ở 180°, gọi là góc điện. Theo cách này, góc điện trải qua trong mỗi nửa chu kỳ dương của U2 từ 0 đến thời điểm xung kích hoạt đến được gọi là góc điều khiển α； Góc điện mà tại đó thyristor dẫn điện trong mỗi nửa chu kỳ dương được gọi là góc dẫn θ Rõ ràng, cả α và θ đều được dùng để biểu thị phạm vi dẫn hoặc chặn của thyristor trong nửa chu kỳ chịu đựng điện áp chuyển tiếp. Bằng cách thay đổi góc điều khiển α Hoặc góc dẫn θ, Bằng cách thay đổi giá trị trung bình UL của điện áp DC xung trên tải, sẽ đạt được khả năng chỉnh lưu có thể điều khiển được.

Hình 1: Bộ chỉnh lưu điều khiển silicon hai chiều bọc nhựa công suất thấp thường được sử dụng làm hệ thống chiếu sáng âm thanh. Dòng điện định mức: IA nhỏ hơn 2A.

2: Lớn; Thyristor bọc nhựa và bọc sắt công suất trung bình thường được sử dụng làm mạch điều chỉnh điện áp loại công suất. Giống như nguồn điện DC đầu ra có thể điều chỉnh, v.v.

3: Thyristor tần số cao công suất cao thường được sử dụng trong công nghiệp; Lò nấu chảy tần số cao, vv