Giới thiệu về SCR

SCR (Silicon Controlled Rectifier – Chỉnh lưu có điều khiển silic) là một linh kiện bán dẫn được điều khiển theo dòng điện có 4 lớp bán dẫn. Tên “Silicon Controlled Rectifier” là tên thương mại của General Electric cho một loại thyristor.

SCR hầu hết được sử dụng trong những thiết bị điện tử yên cầu phải tinh chỉnh và điều khiển điện áp và hiệu suất cao. Điều này làm cho chúng hoàn toàn có thể được sử dụng trong những ứng dụng hiệu suất xoay chiều trung bình và lớn ví dụ điển hình như điều khiển và tinh chỉnh động cơ .
SCR là một linh kiện bán dẫn nhiều lớp, do đó, silicon là một phần trong tên gọi của nó. Linh kiện này yên cầu một tín hiệu tại cực cổng ( Gate ) để làm cho nó dẫn điện, “ controlled – được tinh chỉnh và điều khiển ” là phần thứ hai trong tên gọi và một khi đã dẫn điện, nó hoạt động giải trí giống như một diode chỉnh lưu, “ rectifier – mạch chỉnh lưu ” là phần thứ 3 trong tên gọi. Trong thực tiễn, ký hiệu mạch cho thyristor cho thấy thiết bị này hoạt động giải trí giống như một diode chỉnh lưu có điều khiển và tinh chỉnh .

Ký hiệu và hình dạng 

SCR không giống như diode chỉnh lưu là một linh kiện hai lớp bán dẫn ( P-N ) hoặc transistor lưỡng cực thường được sử dụng là một linh kiện chuyển mạch ba lớp ( P-N-P hoặc N-P-N ), thyristor có cấu trúc gồm bốn lớp bán dẫn ( P-N-P-N ) ghép xen kẽ trong đó có ba mối nối PN tiếp nối đuôi nhau và được bộc lộ bằng ký hiệu như hình trên .
Giống như diode, thyristor là một linh kiện đơn hướng, nghĩa là nó sẽ hướng dẫn dòng điện theo một hướng duy nhất, nhưng không giống như một diode, thyristor hoàn toàn có thể được sản xuất để hoạt động giải trí như một công tắc nguồn mạch hở hoặc như một diode chỉnh lưu tùy thuộc vào phương pháp cực G của thyristor được kích hoạt. Nói cách khác, thyristor chỉ hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở chính sách chuyển mạch và không hề được sử dụng để khuếch đại .
Silicon controlled rectifier ( SCR ) là một trong số những thiết bị bán dẫn hiệu suất cùng với TRIAC, DIAC và UJT ( Transistor đơn mối nối ) đều có năng lực hoạt động giải trí như những công tắc nguồn xoay chiều bán dẫn rất nhanh để tinh chỉnh và điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều lớn. Vì vậy, những linh kiện bán dẫn rất tiện lợi này được những sinh viên điện tử sử dụng để điều khiển và tinh chỉnh động cơ AC, đèn và tinh chỉnh và điều khiển pha .
Thyristor là một linh kiện có 3 cực đó là : A ( Anode ), K ( Cathode ) và G ( Gate ) và gồm có ba mối nối PN hoàn toàn có thể được chuyển trạng thái tắt và dẫn với vận tốc cực nhanh hoặc hoàn toàn có thể được kích dẫn với những khoảng chừng thời hạn khác nhau trong nửa chu kỳ luân hồi để cung ứng một lượng hiệu suất được chọn cho một tải. Hoạt động của thyristor hoàn toàn có thể được lý giải tốt nhất bằng cách giả sử nó được tạo thành từ hai transistor được liên kết ngược lại như một cặp công tắc nguồn tái sinh bổ trợ như hình bên dưới .

Mạch tương đương của thyristor

SCR hoàn toàn có thể xem như tương tự hai transistor BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại như hình sau :

Mạch tương tự hai transistor cho thấy dòng IC của transistor NPN TR2 nối vào cực B của transistor PNP TR1, trong khi dòng IC của TR1 nối với cực B của TR2. Hai transistor được liên kết với nhau này dựa vào nhau để dẫn điện vì mỗi transistor lấy dòng IB từ dòng IC của transistor còn lại. Vì vậy, cho đến khi một trong những transistor được cấp dòng IB thì không có gì hoàn toàn có thể xảy ra ngay cả khi có điện áp VAK ( điện áp giữa cực Anode và cực Cathode ) .
Khi điện thế tại cực Anode của thyristor âm hơn so với cực Cathode, mối nối N-P ở giữa được phân cực thuận, nhưng hai mối nối P-N bên ngoài bị phân cực ngược, lúc này thyristor hoạt động giải trí rất giống với một diode thường thì. Do đó, thyristor chặn dòng điện ngược cho đến khi ở một mức điện áp cao, điểm điện áp đánh thủng của hai mối nối bên ngoài bị vượt quá và thyristor dẫn điện mà không cần tín hiệu cực G .
Đây là một đặc tính xấu đi quan trọng của thyristor, vì thyristor hoàn toàn có thể vô tình được kích dẫn bởi qúa điện áp ngược cũng như nhiệt độ cao hoặc điện áp dv / dt tăng nhanh ví dụ điển hình như một xung áp .
Nếu điện thế tại cực Anode dương hơn so với điện thế tại cực Cathode, hai mối nối P-N bên ngoài giờ đây được phân cực thuận còn mối nối N-P ở giữa bị phân cực ngược. Dòng điện thuận cũng chưa Open. Nếu một dòng điện dương được đưa vào cực B của transistor NPN TR2 thì sẽ tạo ra dòng IC, dòng điện này cũng chính là dòng điện IB của transistor TR1. Điều này có nghĩa là sẽ có một dòng IC chảy qua transistor PNP TR1. Khi TR1 dẫn sẽ cấp dòng IB cho TR2, v.v.
Hai transistor nhanh gọn tiến đến trạng thái dẫn bão hòa khi chúng được liên kết trong theo một vòng phản hồi tái tạo không hề dừng lại. Sau khi được kích dẫn, dòng điện chạy qua linh kiện giữa cực Anode và cực Cathode chỉ bị số lượng giới hạn bởi điện trở của mạch ngoài vì điện trở thuận của linh kiện khi dẫn hoàn toàn có thể rất thấp dưới 1 Ω nên rơi áp trên linh kiện và tổn thất hiệu suất không đáng kể .
Đến đây, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể thấy rằng một thyristor không được cho phép dòng điện đi qua nó theo cả hai chiều của nguồn điện AC khi nó ở trạng thái tắt và hoàn toàn có thể được chuyển sang trạng thái dẫn và được sản xuất như một diode chỉnh lưu thông thường bằng cách cung ứng dòng điện dương vào B của transistor TR2 .
Các đường cong đặc tính Volt-Ampere cho thấy hoạt động giải trí của SCR được cho thấy trong hình như sau :

Đặc tuyến Volt-Ampere của thyristor

Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần. Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I của đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp UAK > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0 . Một khi thyristor đã ở trạng thái dẫn và dòng điện chạy qua nó theo hướng thuận ( cực Anode dương ), tín hiệu tại cực G sẽ mất tính năng tinh chỉnh và điều khiển do ảnh hưởng tác động chốt tái tạo của hai transistor bên trong. Việc vận dụng bất kể tín hiệu cổng hoặc xung nào sau khi tái tạo được mở màn sẽ không có công dụng gì cả vì thyristor đã được dẫn trọn vẹn . Không giống như transistor, SCR không hề được phân cực trong vùng hoạt động giải trí dọc theo đường tải giữa trạng thái tắt và bão hòa của nó. Độ lớn và thời lượng của xung “ mở ” tại cực G ít tác động ảnh hưởng đến hoạt động giải trí của linh kiện do sự dẫn điện được tinh chỉnh và điều khiển bên trong. Khi đưa một xung vào cực G của linh kiện là đủ để khiến cho linh kiện dẫn và duy trì trạng thái dẫn vĩnh viễn ngay cả khi tín hiệu cực G bị vô hiệu trọn vẹn . Do đó, thyristor cũng hoàn toàn có thể được xem là một mạch chốt lưỡng ổn hoàn toàn có thể có hai trạng thái không thay đổi “ TẮT ” hoặc “ DẪN ”. Điều này được lý giải : khi không vận dụng tín hiệu vào cực G, SCR chặn dòng điện theo cả hai hướng của dạng sóng AC và một khi được kích hoạt dẫn điện, hoạt động giải trí chốt tái tạo diễn ra và linh kiện không hề chuyển về trạng thái tắt bằng cách sử dụng cực G của nó .

Vậy làm thế nào để chúng ta tắt thyristor?. Khi thyristor đã chốt trạng thái dẫn của nó và cho phép dòng điện đi qua, nó chỉ có thể được tắt bằng cách ngắt nguồn điện hoặc bằng cách giảm dòng qua linh kiện bằng một số phương tiện bên ngoài (ví dụ như mở một công tắc) xuống dưới một giá trị thường được gọi là dòng giữ tối thiểu, IH.

Do đó, dòng Anode phải được giảm xuống dưới mức dòng giữ tối thiểu này đủ lâu để các mối nối chốt P-N bên trong thyristor khôi phục lại trạng thái khóa của chúng trước khi điện áp phân cực được cung cấp lại cho linh kiện mà không tự động dẫn. Tất nhiên, sau đó để một thyristor dẫn điện như lúc ban đầu, dòng Anode cũng là dòng tải IL phải lớn hơn giá trị dòng giữ (holding current ) của nó. Tức là IL> IH.

Bởi vì thyristor có năng lực tinh chỉnh và điều khiển tắt bất kể khi nào dòng Anode bị giảm xuống dưới giá trị dòng giữ tối thiểu này, do đó khi được sử dụng trong mạch có nguồn phân phối AC hình sin, SCR sẽ tự động hóa tắt khi điện áp xoay chiều chuyển sang bán kỳ âm, và như tất cả chúng ta đã biết, thyristor sẽ vẫn là tắt cho đến khi áp xung kích tiếp theo vào cực G .
Do điện áp xoay chiều hình sin liên tục hòn đảo cực từ cực dương sang cực âm trong mỗi nửa chu kỳ luân hồi, điều này được cho phép thyristor chuyển sang tắt tại điểm 180 o của dạng sóng dương. Hiệu ứng này được gọi là giao hoán tự nhiên, và là một đặc tính rất quan trọng của SCR .
Nếu thyristor được sử dụng trong những mạch được cấp nguồn DC, điều kiện kèm theo giao hoán tự nhiên này không hề xảy ra do điện áp DC không đổi khác, vì thế, tất cả chúng ta cần cách khác để tắt thyristor vào thời gian thích hợp chính do một khi được kích hoạt nó sẽ vẫn liên tục dẫn .
Tuy nhiên, trong mạch điện xoay chiều giao hoán tự nhiên xảy ra cứ sau nửa chu kỳ luân hồi. Trong bán kỳ dương của dạng sóng xoay chiều hình sin, thyristor được phân cực thuận ( cực Anode dương ) và hoàn toàn có thể được kích dẫn bằng cách sử dụng tín hiệu hoặc xung ở cực G. Trong bán kỳ âm, điện thế tại cực Anode trở nên âm hơn so với điện thế tại cực Cathode. Thyristor bị phân cực ngược bởi điện áp này và không hề dẫn điện ngay cả khi có tín hiệu ở cực G .
Vì vậy, bằng cách đưa tín hiệu ở cực G vào thời gian thích hợp trong bán kỳ dương của dạng sóng AC, thyristor hoàn toàn có thể được kích dẫn cho đến khi kết thúc bán kỳ dương này. Do đó, điều khiển và tinh chỉnh pha hoàn toàn có thể được sử dụng để kích hoạt thyristor tại bất kể điểm nào trong bán kỳ dương của dạng sóng AC và một trong những ứng dụng của SCR là điều khiển và tinh chỉnh hiệu suất của những mạng lưới hệ thống AC như được thấy bên dưới .

Điều khiển pha dùng thyristor

Tại điểm mở màn của bán kỳ dương, SCR tắt. Khi đưa xung kích vào cực G thì SCR chuyển sang trạng thái dẫn và duy trì trạng thái này trong suốt thời hạn của bán kỳ dương. Nếu thyristor được kích dẫn ngay tại điểm bất đầu của bán kỳ dương ( θ = 0 o ), tải ( đèn ) sẽ được cấp điện trong toàn bán kỳ dương của dạng sóng AC ( chỉnh lưu bán kỳ có điều khiển và tinh chỉnh ) với điện áp trung bình trên tải là 0,318 x Vp .
Khi tăng thời gian đưa xung kích vào cực G trong bán kỳ dương ( θ = 0 o đến 90 o ), đèn được chiếu sáng trong khoảng chừng thời hạn ngắn hơn và điện áp trung bình được cung ứng cho đèn cũng sẽ giảm tương ứng với độ sáng của đèn .
Như vậy, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng SCR để làm bộ kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng đèn cũng như trong nhiều ứng dụng hiệu suất AC khác như : Điều khiển vận tốc động cơ AC, mạng lưới hệ thống điều khiển và tinh chỉnh nhiệt độ và mạch kiểm soát và điều chỉnh hiệu suất, v.v.
Đến đây tất cả chúng ta đã thấy rằng thyristor thực ra là một linh kiện nửa sóng chỉ dẫn điện trong bán kỳ dương khi cực anode có điện thế dương và chặn dòng điện chạy qua như diode chỉnh lưu khi cực anode có điện thế âm, mặc kệ tín hiệu ở cực G .
Trong thực tiễn có những linh kiện bán dẫn khác tương tự như như SCR, nhưng hoàn toàn có thể dẫn dòng điện theo cả 2 chiều hoặc hoàn toàn có thể được tinh chỉnh và điều khiển tắt bằng tín hiệu ở cực G .
Những linh kiện như vậy gồm có GTO ( Gate Turn-OFF ), SITh ( Static Induction Thyristor ), MCT ( MOS Controlled Thyristor ), SCS ( Silicon Controlled Switch ), TRIAC ( Triode Thyristor ) và LASCR ( Light Activated Thyristor ). Tất cả những linh kiện này có những thông số kỹ thuật điện áp và dòng điện định mức lớn làm cho chúng mê hoặc để sử dụng trong những ứng dụng với mức hiệu suất rất lớn .

Các thông số kỹ thuật của thyristor

• Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua SCR mà nó có thể chịu đựng liên tục, có nghĩa là khi quá trị số này SCR sẽ bị hư.  Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Tùy thuộc vào loại SCR mà giá trị này có giá trị từ 1A đến 1000A
• Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K mà SCR chưa bị đánh thủng. Khi vượt qua con số cực đại thì SCR sẽ bị phá hủy. Điện áp ngược cực đại của thyristor thường khoảng 100V – 1000V. 
• Dòng điện tích kích cực tiểu IGmin: Dòng điện này đóng vai trò kích cho cực cổng G của SCR dẫn điện trong trường hợp điện áp VAK thấp. Dòng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc vào công suất của SCR, nếu SCR có công suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn. Thông thường thì IGmin từ 1mA đến vài chục mA.
• Thời gian mở SCR: Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để SCR có thể chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micro giây.
• Thời gian tắt SCR: Là thời hạn thiết yếu phải đủ dài để SCR hoàn toàn có thể chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái tắt, nếu không thì SCR sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của SCR khoảng chừng vài chục micrô giây .
• Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A /μs
• Tốc độ tăng điện áp dV/dt:

  V/

  μ

  Xem thêm: Tivi LG giá rẻ, Mua TV LED LG Smart 4K giá tốt nhất

  s

Tóm tắt

SCR ( Silicon Controlled Rectifier ) thường được gọi là Thyristor là linh kiện bán dẫn có ba tiếp giáp PN. Nó hoàn toàn có thể được coi là hai transistor liên kết bên trong hoàn toàn có thể được sử dụng trong việc chuyển mạch những tải điện nặng. Chúng hoàn toàn có thể được chốt trạng thái dẫn bởi một xung dòng dương được đưa vào cực cổng ( G-Gate ) của chúng và sẽ duy trì vô hạn trạng thái dẫn này cho đến khi dòng đi từ cực Anode đến cực Cathode giảm xuống dưới mức dòng chốt tối thiểu .

Đặc điểm tĩnh của một thyristor

• Thyristor là linh kiện bán dẫn chỉ có thể hoạt động ở chế độ chuyển mạch.

• Thyristor là thiết bị hoạt động theo dòng điện, dòng cực cổng nhỏ sẽ điều khiển dòng anode lớn hơn.
• Chỉ dẫn dòng điện khi được phân cực thuận và dòng điện kích được đưa vào cực cổng.
• Thyristor hoạt động giống như một diode chỉnh lưu một khi nó được kích dẫn.
• Dòng điện anode phải lớn hơn dòng điện giữ để duy trì trạng thái dẫn.
• Ngăn dòng điện chảy qua khi bị phân cực ngược, cho dù có dòng điện đưa vào cực cổng.
• Sau khi được kích dẫn, linh kiện sẽ duy trì trạng thái này ngay cả khi dòng điện cổng không còn với điều kiện dòng anode phải lớn hơn dòng điện chốt/giữ.

Thyristor là những công tắc nguồn vận tốc cao hoàn toàn có thể được sử dụng để sửa chữa thay thế những rơle điện cơ trong nhiều mạch vì chúng không có bộ phận hoạt động, không có tiếp xúc hoặc bị ăn mòn hoặc bụi bẩn. Nhưng ngoài việc đơn thuần là chuyển mạch dòng điện lớn từ trạng thái dẫn sang tắt, thyristor hoàn toàn có thể được sản xuất để tinh chỉnh và điều khiển giá trị trung bình của dòng tải AC mà không làm tiêu tốn nhiều hiệu suất. Một ví dụ nổi bật của tinh chỉnh và điều khiển hiệu suất thyristor là tinh chỉnh và điều khiển ánh sáng đèn điện, máy sưởi và vận tốc động cơ .

Source: https://baoduongdieuhoa24h.com
Category: Điện Tử