Thyristor là gì, cấu tạo nguyên lý hoạt động?

Trong bài này trình bày các vấn đề cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tuyến, các thông số kỹ thuật… các thông số cụ thể từng loại thyristor xem trong bảng tra các thông số Thyristor

Thyristor (Silicon Controlled Rectifier = Thyristor)
1. Cấu tạo

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)

Thyristor có thể xem như  tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

2. Nguyên lý hoạt động

+ Trường hợp cực G để hở hay V_G = OV

Khi cực G và V_G  = OV có nghĩa là transistor T₁ không có phân cực ở cực B nên T₁ngưng dẫn. Khi T₁ ngưng dẫn I_B1 = 0, I_C1 = 0 và T₂ cũng ngưng dẫn. Như vậy trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là I_A = 0 và VAK ≈ VCC.

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

Trường hợp đóng khóa K: V_G = V_DC – I_GR_G, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thai dẫn điện. Lúc này transistor T₁ được phân cực ở cực B₁ nên dòng điện I_G chính là I_B1  làm T₁ dẫn điện, cho ra I_C1 chính là dòng điện I_B2 nên lúc đó I₂ dẫn điện, cho ra dòng điện I_C2 lại cung cấp ngược lại cho T₁ và I_C2 = I_B1.

Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn  mà không cần có dòng I_G 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 V_AK 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 V_CC. 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 V_BR. Thông thường trị số V_BR và V_BO  bằng nhau và ngược dấu.

3. Đặc tuyến

I_G = 0   ; I_G2 > I_G1 > I_G

5. Các thông số kỹ thuật 

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 V_AKkhoảng 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: I_Gmin : Để Thyristor có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp V_AK thấp thì phải có dòng điện kích cho cực G của Thyristor. Dòng I_Gmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện và dòng I_Gmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của Thyristor, nếu Thyristor có công suất càng lớn thì I_Gmin phải càng lớn. Thông thường I_Gmin 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 I_G = 0 và cho điện áp V_AK = 0. để Thyristor có thể tắt được thì thời gian cho V_AK = OV phải đủ dài, nếu không V_AK tăng lên cao lại ngay thì Thyristor sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của Thyristor khoảng vài chục micrô giây.

5. 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 I_G.

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 – R_3.

Giả sử điện áp đủ để kích cho cực G là V_G = 1V và dòng điện kích I_Gmin = 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 I_G 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.