GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
Trờng cao đẳng nghề cơ điện hà nội

--------------------****--------------------TH.S: TRN I LC ( CH BIÊN )

GIÁO TRÌNH

ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
(Tài liệu lưu hành nội bộ)

Hà Nội - 2011


Trờng Cao Đẳng Nghề Cơ Điện Hà Nội
Khoa Điện

Tuyên bố bản quyền:
- Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ, cho nên các nguồn
thông tin có thể đợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục
đích về đào tạo và tham khảo.
- Mọi mục đích khác có ý đồ lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
- Trờng Cao Đẳng nghề Cơ điện Hà Nội sẽ làm mọi cách để bảo vệ
bản quyền của mình.
- Trờng cảm ơn và hoan nghênh các thông tin giúp cho việc tu sửa và
hoàn thiện tốt hơn tài liệu này.

Địa chỉ liên hệ:
Khoa Điện Trờng Cao Đẳng nghề Cơ điện Hà Nội
160 Phố Mai Dịch Quận Cầu Giấy Hà Nội
Tác giả:

Trần Đại Lộc DĐ: 0912 440242
Email:

2


Lời tựa
Giáo trình đà đợc xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung kiến
thức đà đợc giảng dạy, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu
cầu nâng cao chất lợng đào tạo, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại
hóa. Đề cơng của giáo trình đà đợc Bộ trởng Bộ lao động thơng binh xÃ
hội ban hành và đà nhận đợc nhiều ý kiến thiết thực giúp cho tác giả biên
soạn phù hợp hơn.
Giáo trình do thầy giáo: Th.S Trần Đại Lộc giáo viên Khoa điện có
nhiều kinh nghiệm trong giảng dạy biên soạn, theo tiêu chí ngắn gọn, dễ hiểu,
bổ sung nhiều kiến thức mới và chú ý tới tính liên thông để ngời học sau này
dễ dàng học ở bậc cao hơn. Các nội dung đợc trình bày theo quan điểm mở,
bao gồm những vấn đề cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các nghành
nghề đào tạo mà nhà trờng tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy
định của chơng trình khung đào tạo Cao đẳng nghề, Trung cấp nghề.
Tuy tác giả đà có nhiều cố gắng, nhng giáo trình chắc không tránh
khỏi những khiếm khuyết, mong nhận đợc ý kiến đóng góp của bạn đọc
nhằm nâng cao chất lợng phục vụ cho việc dạy và học đạt chất lợng cao
hơn.
Tài liệu này đợc thiết kế theo từng mô đun/ môn học thuộc hệ thống
mô đun/môn học của một chơng trình, để đào tạo hoàn chỉnh nghề Điện công
nghiệp ở cấp trình độ Cao đẳng nghề và đợc dùng làm Giáo trình cho học
viên trong các khoá đào tạo, cũng có thể đợc sử dụng cho đào tạo ngắn hạn
hoặc cho các công nhân kỹ thuật, các nhà quản lý và ngời sử dụng nhân lực
tham khảo.

Hà nội, ngày... tháng. năm......

3


Mục lục
TT

Nội dung

Trang

1

Lời tựa............................................................................................

2

2

Mục lục ..........................................................................................

3

3

Giới thiệu về mô đun.......................................................................

4

4

Sơ đồ quan hệ theo trình tự học nghề.............................................

5

5

Các hoạt động học tập chính trong môn học.................................

7

6

Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất..........................................

9

7

Bài 2: Chỉnh lu..............................................................................

32

8

Bài 3: Biến đổi DC-DC....................................................................

59

9

Bài 4: Dao động tạo xung và biến đổi dạng xung.........................

80

10 Bài 5: Bộ biến tần .........................................................................

115

11 Bài 6: Bộ nghịch lu.....................................................................

123

12 Bài 7: Mạch điều khiển và khống chế..........................................

135

13 Trả lời các câu hỏi và bài tập.........................................................

143

14 Tài liệu tham kh¶o..........................................................................

152

4


Giới thiệu về môđun

Vị trí, ý nghĩa, vai trò mô đun/môn học:
Với sự phát triển và hoàn thiện không ngừng của thiết bị điện trên mọi
lĩnh vực, mạch điện tử trở thành một thành phần không thể thiếu đợc trong
các thiết bị điện, công dụng chính của nó là để điều khiển khống chế các thiết
bị điện, thay thế một số khí cụ điện có độ nhạy cao, công suất lớn. Nhằm mục
đích: gọn hoá các thiết bị điện, giảm tiêu hao năng lợng trên thiết bị, tăng độ
nhạy làm việc, tăng tuổi thọ của thiết bị....Do đó, nhận dạng đợc các linh
kiện, mạch điện tử, kiểm tra, thay thế, đợc các linh kiện, mạch điện h hỏng
là một yêu cầu quan trọng không thể thiếu đợc, nhất là trong lĩnh vực điện
công nghiệp, khi mà các dây chuyền công nghiệp đợc hình thành và phát
triển mạnh trên phạm vi cả nớc.
Mục tiêu thực hiện của môn học:
Sau khi hoàn tất Môđun này, học viên có năng lực:
- Mô tả đặc trng và những ứng dụng chủ yếu của linh kiện: DIODE, Mosfet,
DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO.
- Lắp ráp, sửa chữa đợc các mạch điện tử công suất cơ bản nh−: BiÕn ®ỉi AC DC; BiÕn ®ỉi DC - DC; Biến tần.
- Lắp ráp, sửa chữa đợc các mạch các mạch tạo xung và biến đổi dạng xung.
- Tính toán, lắp ráp, cân chỉnh và sửa chữa đợc mạch chỉnh lu 1 pha, 3 pha
có công suất nhỏ đến công suất tơng đối lớn, ổn áp và các ứng dụng khác của
kỹ thuật điện tử trong hệ thống điện công nghiệp.
Nội dung chính của môđun:
Môđun này có sáu bài, học trong 150 giờ, trong đó 60 giờ lý thuyết và 90
giờ thực hành. Các bài học nh sau:
Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất
Bài 2: Chỉnh lu
Bài 3: Biến đổi DC-DC
Bài 4: Dao động tạo xung và biến đổi dạng xung
Bài 5: Bộ biến tần
Bài 6: Bộ nghịch lu
Bài 7: Mạch điều khiển và khống chế

5


2.4. Sơ đồ mối liên hệ giữa các mô-đun và môn học trong chơng trình
máy đIện -17

cung cấp đIện 1 - 19
vẽ kt cơ khí- 10
q -dây máy đIện -18

trang bị đện 2 - 26

kỹ thuật nguội - 12
trang bị đIện 1 - 21

Đầu vào

Plc cơ bản -27

kỹ thuật đIện - 08

Đầu ra

kỹ thuật số - 25
vật liệu đIện -13
k-thuật cảm biến - 24

Thực tập sản suất

khí cụ đIện - 14
Các môn học chung
Chính trị - 01

đIện tử ứng dụng - 23
đo lờng đIện 1 - 16
kt lắp đặt đIện - 20

PHáP LUậT - 02
vẽ đIện - 11
THể CHấT - 03

t-h trang bị đIện 1 - 22
đIện tử cơ bản - 09

Q. phòNG - 04
thiết bị đIện gd - 15
TIN HọC - 05

ANH VĂN - 06

Một mô-đun bổ trợ

Atlđ - 07

Ghi chú: Môn học Điện tử ứng dụng cung cấp những kiến thức cơ sở để học viên có thể phân tích hoạt
động, lắp ráp và sửa chữa của các mạch điện tửổtng thiết bị điện, Khí cụ điện. Môn học này có tầm quan
trọng không thể thiếu đợc trong phần đào tạo tay nghề cho công nhân hoạt động trong lĩnh vực điện.
Khi học viên học tập và thực hành môn học này, nếu phần nào không đạt yêu cầu, cần phải đợc học
lại và kiểm tra kiến thức và thực hành về phần cha đạt đó.

Khi chuyển trờng, chuyển ngành, học viên nếu đ học ở một cơ sở đào tạo khác rồi thì phải xuất
trình giấy chứng nhận; Trong một số trờng hợp có thể vẫn phải qua sát hạch lại.

6


Các hoạt động học tập chính trong môđul
1- Hoạt động học trên lớp có thảo luận.
2 - Hoạt động tự học, tự su tầm các tài liệu liên quan và làm các bài tập về
môn học Điện tử cơ bản.
3 - Hoạt động thực hành tại xởng về các mạch điện tử cơ bản đà học, lắp ráp và
phát hiện những sai lỗi của các mạch điện tử cơ bản.
Yêu cầu về đánh giá hoàn thành môđun
Nội dung kiểm tra viết:
- Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động, ứng dụng các mạch điện tử ứng dụng.
- Trình bày phạm vi sử dụng của các mạch điện tử ứng dụng
- Phân tích các mạch điện tử cơ bản.
Nội dung kiểm tra thực hành:
- Kiểm tra kỹ năng thực hành lắp ráp, sửa chữa, thay thế các linh kiện đợc đánh
giá theo các tiêu chuẩn:
- Độ chính xác của các dạng tín hiệu ở ngõ ra, sau khi lắp ráp, sửa chữa.
- Tính thẩm mỹ của mạch lắp ráp, sửa chữa.
- Các vật liệu khi thực hành:
Các linh kiện điện tử thụ động và bán dẫn các loại theo yêu cầu mạch điện thực
tế

7


Bài 1: Tổng quan về điện tử công suất

Giới thiệu:
Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán
dẫn là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của
các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các
phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu
điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng nh vấn đề điều khiển
chúng. Về khả năng điều khiển, các Van bán dẫn đợc phân loại thành:
- Van không điều khiển nh ĐIÔT
- Van có điều khiển, trong đó phân loại ra:
+ Điều khiển không hoàn toàn nh TIRISTOR, TRIAC
+ Điều khiển hoàn toàn nh BIPOLAR TRANZITOR, MOSFET, IGBT,
GTO.
Mục tiêu thực hiện
Học xong bài này, học viên có khả năng:
- Phát biểu các khái niệm về điện tử công suất
- Nhận dạng đợc các linh kiện điện tử công suất dùng trong các thiết bị điện, điện
tử
- Xác định đợc điện áp, dòng điện vào, ra của bộ biến đổi công suất
- Trình bày đợc nội dung các thông số kỹ thuật của mạch điện tử công suất
NộI DUNG
1.1 Giới thiệu chung về điện tử công suất
1.2 Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tư c«ng st
1.2.1 DIODE
1.2.2 TRANZITOR
1.2.3 SCR
1.2.4 TRIAC - DIAC
1.2.5 GTO
1.2.6 TRANZITOR TRNG

Hoạt động I: Học lý thuyết trên lớp

1.1 Giới thiệu chung về điện tử công suất
1.1.1 Lịch sử phát triển
- Lịch sử phát triển của điện tử công suất đợc bắt đầu vào những cuối thế kỷ19.
Năm 1882 nhà bác học Pháp J. Jasmin phát minh ra hiện tợng bán dẫn. Năm 1892
nhà nghiên cứu ngời ĐứcL. Arons tạo đợc hồ quang thủy ngân chân không đầu
tiên. Năm 1901 P.C. Hewitt tại Mỹ đà chế tạo ra bộ chỉnh lu thủy ngân. Năm 1906
8


J.A. Fleming chế tạo diode chân không đầu tiên. Sau ®ã G.W. Pickard (USA) chÕ t¹o
®Ìn Silicon.
- Bé khch ®¹i điện tử xuất hiện vào năm 1907 và đèn triode đợc phát minh bởi
L.Forest. Trên cơ sở này một số linh kiện điện tử đà đợc chế tạo ra. Quan trọng
nhất là công nghệ khuếch đại ngợc do H.S. Black đề xuất năm 1927. Năm 1921,
F.W. Meyer (Đức) đà đề xuất nguyên lý cơ bản và xu thế phát triển của linh kiện
điện tử.
- Nửa đầu thế kỷ XX phần lớn các linh kiện điện tử là các đèn thiratron và
đèn initron vì vậy chúng có kích thớc và khối lợng rất lớn cùng với hệ thống
làm mát và hệ thống điều khiển rất phức tạp, và độ tin cậy lại rất thấp. Mặc dù vậy
các bộ biến đổi công suất này đợc ứng dụng rất rộng rÃi trong công nghiệp cũng
nh trong hệ thống giao thông công cộng và đờng sắt.
- Bớc phát triển đột biến của điện tử công suất là vào những năm 60 của thế kỷ
XX, khi bắt đầu xuất hiện các linh kiện bán dẫn công suất nh không điều khiển
đợc(diode) và điều khiển đợc (thyristor). Từ những linh kiện này ngời ta thiết kế
các bộ chỉnh lu điều khiển đợc và không điều khiển đợc biến đổi điện áp xoay
chiều sang điện áp một chiều. Trong thời gian này các bộ biến đổi công suất vẫn
đợc sử dụng rộng rÃi trong đờng sắt, truyền động điện một chiều và trong luyện
kim
- Năm 1873 Frederick Guthrie đa ra nguyên lý hoạt động của diode, cho đến
năm 1919 linh kiện diode công suất thực mới ra đời.

- Thyristor đợc phát minh bởi William Shockley vào năm 1950 và đợc ứng
dụng trong công nghiệp vào năm 1956 bởi Moll từ phòng thí nghiệm Bell Labs và
hÃngGeneralMotor.
- Transistor đầu tiên đợc đa ra vào năm 1925 từ Canada do nhà vật lý học
Austrian-Hungarian physicist Julius Edgar Lilienfeld, đến năm 1934 tại Đức nhà vật
lý OskarHeil đa ra một dạng khác của transistor. Tuy nhiên cho đến năm 1947
transistor mới thực sự đợc hoàn thiện. IGBT bắt đầu đợc đề xuất từ năm 1968 bởi
Yamagami - Nhật bản và dần dần đợc hoàn thiện vào năm 1990.
- Bớc phát triển quan trọng nhất là từ 1975 đến 1990 và có tính cách mạng đợc
đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao áp BJT (Bipolar Junction Transistor)
và thyristor ®iỊu khiĨn hoµn toµn GTO (Gate Turn Off Thyristor), sau ®ã lµ IGBT
(Insuled Gate Bipolar Transistor) vµ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor)
- Điểm đặc biệt của giai đoạn này là kỹ thuật biến đổi năng lợng trên cơ sở tác
động nhanh của các bộ biến đổi công suất và vì thế cho phép giảm khối lợng và kích
thớc đồng thời tăng đáng kể hiệu suất và độ tin cậy. Trong thời gian này xuất hiện
nhiều phơng pháp điều khiển và điều chế độ rộng xung và sử dụng vi sử lý trong
điều khiển.
- Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong
luyện kim cũng nh các lĩnh vực công nghiệp khác đà tạo đà phát triển kinh tế rất lớn.
Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lợng điện sử dụng đợc biến đổi từ các bộ biến đổi
công suất.
- Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đà đạt đợc thành công rất lớn, tuy
9


nhiên ngày càng nhiều bài toán đợc đặt ra ở phía trớc.
1.1.2 Cấu trúc của bộ biến đổi công suất
a) Định nghĩa: Điện tử công suất là môn học nghiên cứu quá trình biến đổi, điều
khiển các đại lợng đặc trng năng lợng điện cho phù hợp với tải nh:

- Dạng điện áp và dòng điện: một chiều DC và xoay chiều AC
- Hình dạng điện áp: sin, không sin tuần hoàn, xung
- Giá trị điện áp: trị trung bình, trị hiệu dụng, biên độ
- Tần số
- Số pha
b) Cấu trúc của bộ biến đổi công suất: Sơ đồ khối chung của các bộ biến đổi
công suất đợc đa ra ở hình 1.1: Bộ biến đổi công suất biến đổi điện năng với các
thông số nguồn đầu vào U1 ;I1 ;F1 ;P1 thành điện năng với các tham số đầu ra U2 ;I2
;F2 ;P2 d−íi t¸c dơng cđa tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn nhê m¹ch håi tiÕp.

M¹ch ngn
AC, DC
U1 ;I1 ;F1 ;P1

Mạch công suất
U2 ;I2 ;F2 ;P2

Mạch điều
khiển

Tải

Mạch hồi
tiếp

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ biến đổi công suất

c) Những yêu cầu đối với các bộ biến đổi công suất
Hiệu suất cao
Hiệu quả cao

Độ tin cậy cao
Giá thành thấp
Kích thớc và khèi l−ỵng nhá

10


1.1.3 Các bộ biến đổi công suất cơ bản

Bộ CHỉNH LƯU

Bộ BIếN ĐổI ĐIệN
áP XOAY CHIềU

CáC Bộ BIếN
ĐổI CÔNG SUấT

Bộ BIếN TầN

Bộ BIếN ĐổI ĐIệN
áP MộT CHIềU

Bộ NGHịCH LƯU

Hình 1.2 Các bộ biến đổi công suất cơ bản
a) Bộ chỉnh lu: biến đổi điện áp, dòng điện xoay chiều thành một chiều
AC/DC

b) Bộ biến đổi điện áp xoay chiều AC/AC: biến đổi điện áp xoay chiều có trị
hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi đợc.

11


c) Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC: biến đổi điện áp một chiều có trị
trung bình không thay đổi thành điện áp một chiều có trị trung bình thay
đổi đợc.

d) Bộ nghịch lu DC/AC: biến đổi năng lợng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lợng xoay chiều.

e) Bộ biến tần trực tiếp AC/AC: biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng
và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi
đợc.

f) Bộ biến tần gián tiếp: AC/DC/AC: chỉnh lu điện áp xoay chiều ngõ vào
sau đó chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có trị hiệu
dụng điện áp và tần số thay đổi đợc.

12


1.1.4) Các khái niệm cơ bản
1. Trị trung bình
- Cho dòng điện i(t) và điện áp u(t) có chu kỳ T. Trị trung bình của dòng điện và điện
áp đợc tÝnh b»ng c«ng thøc:
T

1
Id =

T

∫ i (t ) dt
0

(1.1)

T

1
Ud = u (t ) dt
T 0

(1.2)

- ở chế độ xác lập trị trung bình giá trị điện áp trên L bằng 0. Vì thế trị trung bình
dòng không phụ thuộc vào R và dòng trung bình qua tải đợc tính bằng công thức:

I

d

E
=Ud
R

(1.3)

2. Trị hiệu dụng

I

rms

1
=
T

1
Ud =
T

T

i

2

(t )dt

(1.4)

0

T

u (t ) dt

(1.5)

0

Vớ dụ 1: Cho dòng điện có dạng nh h×nh 1.1 Ip = 100(A); T = 20(ms);
T0 = 10(ms). Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng dòng ®iÖn.

13


Lời giải:
Trị trung bình dòng điện

Trị hiệu dụng dũng điện

2
,
Ví dụ 2: Cho điện áp có dạng nh hình vẽ víi u (t ) = U m sin ω t và =
T

U

m

= 220 2(V ) . Xác định trị trung bình và trị hiệu dụng điện áp.

Lời giải:
Trị trung bình điện áp
T

Um
1

1
1
Ud = u(t )dt =
Sin
(
t
)
d
(
t
)
=
(

Cos
(
t
))
=
= 99V



0
T0
2 0U m
2 U m

Trị hiệu dụng điện áp
14

T

π

2
1
1
1 ωt Sin2ωt π Um
Ud = ∫ u(t)dt =
d
t
=
ω
Sin(ωt)
Um 2π ( 2 − 4 ) 0 = 2
T0
2π ∫0 U m

[

]

3. Công suất trung bình
- Công suất tức thời của tải đợc xác định theo công thức:
P(t) = u(t).i(t)
(1.6)
T

1
=
Pd T u(t)i(t)dt
0

(1.7)

T

Hoặc

1
=
Pd T u(t)i(t)dt
0

(1.8)

- Nếu dòng tải không đổi theo thời gian thì công suất trung bình của tải:
Pd = Ud.Id
(1.9)
- Tụ điện và cuộn kháng không tiêu hao công suất
4. Hệ số công suất
Hệ số công suất(PE) là tỉ số giữa công suất tiêu thụ và công suất biểu kiến
nguồn cung cấp cho tải đú.
=

P
S

- Nếu tải một chiều th×: P = Pd
- NÕu nguån h×nh sin th×: S = mUI
Trong đó, U và I là trị hiệu dụng áp và dòng nguồn; m là số pha.
5. Hiện tợng nhiễu và biện pháp khắc phục
- Do các khóa bán dẫn đóng ngắt ở tần số cao gây ra nhiễu cao tần làm méo dạng áp,
dòng ngõ vào ngõ ra so với dạng chuẩn và suất hiện các sóng hài bậc cao dẫn đến
bức xạ sóng điện từ và giảm hệ số công suất
- Để giảm thiểu hiện tợng nhiễu ta có thể lọc sóng hài (bằng mạch cộng hởng LC
mắc song song với nguồn), sử dụng tủ kim loại, sử dụng cáp bọc.

1.2 Các linh kiện chuyển mạch dùng trong điện tử công suất
1.2.1 DIODE
1. Cấu tạo và ký hiÖu

15


a) Cấu tạo

b) Ký hiệu

Hình 1.3 Cấu tạo và ký hiệu Diode
Diode đợc cấu tạo(hình 1.3a) bởi hai miền bán dÉn P vµ N ghÐp tiÕp xóc
víi nhau. Cùc nèi vào miền bán dẫn P đợc gọi là cực Anode(A). Cực nối vào miền
bán dẫn N đợc gọi là cực Katode(K). Khi cha có điện trờng ngoài đặt vào thì do
có sự chênh lệch lớn về nồng độ các hạt điện tích trái dấu mà tại vùng tiếp xúc xảy
ra hiện tợng khuếch tán các hạt đa số qua vùng tiếp giáp. Do đó tại lân cận mặt
tiếp giáp xuất hiện một vùng nghèo điện tích đa số. Vì vậy, tại đó xuất hiện một
điện trờng hớng từ miền bán dẫn N sang bán dẫn P. Điện trờng này gọi là điện
trờng tiếp xúc E. Diode đợc ký hiệu ở hình 1.3b.

Khi tiếp giáp p-n đợc đặt dới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trờng
ngoài cùng chiều với với điện trờng E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang
vùng n-, điện trở tơng đơng của điôt càng lớn và dòng điện sẽ không thể chạy
qua. Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Ta nói rằng điốt bị
phân cực ngợc.
Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trờng ngoài có hớng ngợc với điện trờng
trong E thì vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn
điện áp cản thì vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp đến bằng không và các điện tÝch
cã thĨ di chun tù do qua cÊu tróc tinh thể của điôt. Dòng điện chạy qua điôt lúc
đó sẽ chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong điôt. Ta
nói điôt đợc phân cực thuận
2. Đặc tính Vôn-Ampe
A

UngMa

ID(mA)

Irò
0

16

UD,

UA


Đặc tính Vôn-Ampe của Diode
Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận trong góc phần t thứ I, tơng ứng với

UAK >0, đặc tính ngợc trong góc phần t thứ III, tơng ứng với UAK<0 . Trên
đờng đặc tính thuận nếu điện áp Anode-Catode tăng dần từ 0 đến khi tăng quá
ngỡng điện áp UD,0 cỡ 0,6-0,7 V dòng có thể chảy qua diode. Dòng điện ID có thể
thay đổi rất lớn nhng điện áp rơi trên diode UAK thì hầu nh ít thay đổi. Nh vậy,
đặc tính thuận của diode đặc trng bởi tính chất có điện trở tơng đơng nhỏ.
Trên đờng đặc tính ngợc, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị UngMax gọi là
điện áp ngợc lớn nhất, thì dòng qua diode vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò,
nghĩa là diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngợc. Cho đến khi UAK đến giá trị
UngMax thì xảy ra hiện tợng dòng qua diode tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng
điện ngợc của dòng điện bị phá vỡ. Quá trình này không có tính đảo ngợc, nghĩa
là nếu ta lại giảm điện áp trên Anode-Catode thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói
diode bị đánh thủng.
3. Các thông số cơ bản của diode
- Giá trị điện áp đánh thủng Ungmax
- Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiỊu thn IDo
- NhiƯt ®é cho phÐp tại mặt ghép TCP
- Tần số: Các diode đợc chế tạo với giải tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là
một thông số quan trọng phải lu ý khi lựa chọn diode.
Iđ - Dòng điện định mức, hiện nay dòng điện định mức lớn nhất của Diode công suất
là 7000A
U - sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V
P - tổn hao công suất; P = U.I (đến hàng kW)
Tcp - nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 2000C
UN - điện áp ngợc; Trong khoảng (50-4000)V
Irò - dòng điện rò, hàng trăm mA

17


1.2.2 TRANZITOR

1. Cấu tạo, ký hiệu
Tranzitor là dụng cụ bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp lại với nhau và
có hai mặt ghép J1 và J2. Có hai cách ghép là PNP và NPN tơng ứng với tên gọi
tranzitor thuận và tranziror ngợc. Tranzitor dẫn điện bằng cả điện tử (bán dẫn N)
và lỗ trống (bán dẫn P) nên còn gọi là tranzitor lỡng cực( Biporlar Tranzitor).

J1
E

P

J2

N

J1

P

E

C

N

B

J2

P

N

B

a) CÊu t¹o
C

C
B

B
E

Tranzitor thn

E

b) Ký hiƯu

Tranzitor cã 3 cùc:
- Cùc E (Emittor): cực phát
18

Tranzitor ngợc

C


- Cùc C (Colector): cùc gãp

- Cùc B (Baz¬): cùc gốc
Hiện nay, tranzitor NPN đợc dùng phổ biến hơn vì khả năng chịu nhiệt tốt hơn và
trong mạch cực E nối mass cùng với âm nguồn.

2. Nguyên lý làm việc của tranzitor
Để hiểu đợc nguyên lý làm việc của tranzitor ta phân tích nguyên lý làm
việc của tranzitor ngợc NPN.
E2

J1

IC

J2

iE
E

P

N
iB

N

C

B

E1

Nguồn E1 gây ra phân cực thuận cho lớp tiếp giáp J1. Nguồn E2 gây ra phân cực
ngợc cho lớp tiếp giáp J2 và phân cực thuận cho lớp tiếp giáp J1. Lớp J1 đợc phân
cực thuận bởi nguồn E1 nên có dòng iB chạy từ B sang E, tức là ®iƯn tư tù do e tõ
cùc E tíi cùc B qua lớp J1.
Lớp J2 bị phân cực ngợc bởi E2 nhng vì E2 >> E1 nên điện trờng do E2
tạo ra là khá mạnh. Hơn nữa, lớp P cực gốc lại mỏng nên chỉ một số nhỏ điện tử tự
do từ cực E tới cực B, còn phần lớn vợt qua líp P cùc gèc, qua líp tiÕp gi¸p J2 tới
cực góp C để về cực dơng nguồn E2. Vì vậy, dòng cực góp iC đợc tạo ra.
Mạch dòng E1 qua B, E đợc gọi là mạch điều khiển. Mạch dòng E2 qua tải,
qua C, E đợc gọi là mạch tải. Vì cực E chung nên: iE = iC + iB . Khi tăng UBE thì iB
tăng và iC tăng. Ngợc lại, giảm UBE thì iB giảm và iC giảm. Một lợng thay đổi nhỏ
của iB cũng gây ra một lợng thay đổi lớn của iC nên tranzitor có tác dụng khuếch
đại.
19


Nếu đảo cực tính UBE, tức là nối cực B vào cực âm vào nguồn điều khiển E1 và nối
cực E vào cực dơng của E1 thì tranzitor không thể làm việc đợc (tranzitor bị
khóa) và dòng iC = 0.
ở chế độ khóa, tổn hao công suất trên tranzitor rất nhỏ. Tổn hao trên tranzitor
bằng tích giữa iC với điện áp rơi trên UCE giữa cực C và cực E.
3. Hệ số khuếch đại dòng điện của tranzitor
Trong mạch cực phát chung, theo định nghĩa, là tỷ số giữa độ tăng của dòng
góp(Colector) với độ tăng của dòng gốc (bazơ)
= iC

i

B

Các tranzitor công suất thờng có = 10 - 100
Tơng tự, hệ số khuếch đại điện áp
=UC

U

Hế số khuếch đại công suất

k

P

=

B

P
P

C
B

4. Đặc tuyến ra của tranzitor
Đặc tun ra cđa tranzitor lµ quan hƯ iC = f(UCE) khi iB = invar
Với các giá trị iB khác nhau, ta có một họ đặc tính tĩnh iC = f(UCE)
- Với mỗi giá trị của iB , dòng iC tăng nhanh trong khoảng giá trị nhỏ của UCE , sau
đó hầu nh không tăng theo UCE.
- Với cùng một giá trị của UCE thì iC tăng theo iB( Chế độ khuếch đại)
- Với UCE quá lớn thì tranzitor có thể bị đánh thủng và iC tăng vọt.

iC
III

I

IB

II
0

UCE
Đặc tuyến ra của tranzitor
20


5. Các thông số của tranzitor
Tranzitor loại PNP hay NPN:
- Dòng góp lớn nhất cho phép iC max
- Điện áp cùc gãp lín nhÊt cho phÐp UC max khi hë cực gốc iB = 0
- Độ sụt áp trong tranzitor khi dÉn dßng b·o hßa ÄUCE b·o hßa
- Thêi gian thông tON :thời gian cần để UCE từ Unguồn giảm xuèng ÄUCEbh # 0
- Thêi gian khãa tOFF: thêi gian cần để iC từ giá trị đang dẫn giảm về 0
- Công suất tiêu hao trong tranzitor là P
Các thông sè cđa tranzitor thay ®ỉi theo nhiƯt ®é. Nãi chung, dòng điện qua
tranzitor tăng khi nhiệt độ tăng.
Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 2000C
IC dòng điện định mức, ( tới 1000A)
- hệ số khuếch đại dòng điện
IB = IC/ - dòng điện bazơ mA

U - sụt áp thuận; (khoảng (0,7 - 2)V)
P - tổn hao công suất sinh nhiệt (đến hàng kW)
UCE - điện áp CE; Trong khoảng (50-1500)V
UBE - điện áp BE; hàng vôn
6. Chế độ làm việc của tranzitor
- Chế độ khuếch đại:
ở chế độ này dới sự tác động của tín hiệu vào nhỏ, điện áp UBE thay đổi sẽ gây ra
sự thay đổi dòng điều khiển iB . Từ đó, dòng điện ra iC lớn cũng thay ®ỉi theo tÝn
hiƯu vµo vµ tû lƯ víi tÝn hiƯu vào UBE = 0,3-0,8V
- Vùng I của đặc tuyến ra là vùng làm việc khuếch đại của tranzitor
- Vùng II là vùng khóa vì tranzitor không làm việc trong vùng này
- Vùng III là vùng bÃo hòa và vùng gần bÃo hòa của tranzitor vì ở vùng này,
sự tăng tiếp tục của dòng điện bazơ iB không gây ra sự thay đổi ( hay không thay đổi
nhiều) của dòng iC.
- Chế độ xung:
ở chế độ này, tranzitor chỉ có hai trạng thái trái ngợc: hoặc thông(dẫn) hoặc khóa.
Làm việc ở chế độ này, tranzitor đợc gọi là khóa bán dẫn (hay khóa điện tử) không
tiếp điểm. Chế độ xung còn đợc gọi là chế độ Rơle
Để tranzitor làm việc tốt ở chế độ xung, khi chuyển mạch thông cần phải đảm bảo
tranzitor thông bÃo hòa (hay thông hoàn toàn) và khi chuyển mạch khóa cần phải
đảm bảo tranzitor khóa hoàn toàn (hay khóa chặt).
21


1.2.3 TIRISTOR
1. Cấu tạo, ký hiệu
Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiÕp
gi¸p J1, J2, J3 . Tiristor cã ba cực: Anode A, Catode K và cực điều khiển G

a)Cấu tạo

K

A

G
b)Ký hiệu

2. Đặc tính Vôn-Ampe
Iv

A
Iv

IG2>IG1>IG0 =0
Ungmax

Irò

Idt
UAK
0

UD,022

Uthmax


Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận trong góc phần t thứ I, tơng ứng với
UAK >0, đặc tính ngợc trong góc phần t thứ III, tơng ứng với UAK<0
a. Trờng hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)

Khi dòng vào cực điều khiển của tiristor bằng không hay khi hở mạch cực
điều khiển tiristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trờng hợp phân cực điện áp
giữa Anode-Catode. Khi điện áp UAK<0 theo cấu tạo bán dẫn của tiristor hai tiếp
giáp J1, J3 đều phân cực ngợc, lớp J2 phân cực thuận, nh vậy tiristor giống nh hai
diode mắc nối tiếp bị phân cực ngợc. Qua tiristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ
chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt giá trị điện áp lớn nhất Ungmax sẽ xảy ra
hiện tơng tiristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống nh ở
đoạn đặc tính ngợc của diode quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo
ngợc đợc, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dới ngỡng Ungmax thì dòng
điện cũng không giảm đợc về mức dòng rò. Tiristor đà bị hỏng. Khi tăng điện áp
Anode-Catode theo chiều thuận , UAK>0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ
chạy qua gọi là dòng rò. Điện trở tơng đơng anode-Catode vẫn có giá trị rất lớn.
Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận J2 phân cực ngợc. Cho đến khi UAK đạt giá
trị điện áp thuận lớn nhất Uthmax sẽ xảy ra hiện tợng điện trở tơng đơng mạch
Anode-Catode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện
trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua tiristor có giá trị lớn hơn một mức dòng tối
thiểu, gọi là dòng duy trì Idt thì khi đó tiristor sẽ dẫn dòng trên đờng đặc tính
thuận, giống nh đờng đặc tính thuận của diode. Đoạn đặc tính thuận đợc đặc
trng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhng điện áp rơi trên anode-catode thì
nhỏ và hầu nh không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
b. Trờng hợp có dòng vào cực điều khiển (IG>0)
Nếu có dòng điều khiển đa vào giữa cực điều khiển và Catode quá trình
chuyển điểm làm việc trên đờng đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trớc khi điện
áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uthmax. Điều này đợc mô tả trên đờng đặc tính
với các giá trị dòng điều khiển khác nhau IG1, IG2, IG3 ,.... Nói chung nếu dòng điều
khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
3. Mở, khóa Tiristor
Tiristor có đặc tính giống nh Diode, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua
theo một chiều từ Anode đến Catode và cản trở dòng chạy theo chiều ngợc lại. Tuy
nhiên khác với Diode, để Tiristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp

UAK >0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó tiristor còn đợc coi là phần tử
bán dẫn có điều khiển để phân biệt với diode là là phần tử không điều khiển đợc.
23


a.Mở tiristor
Khi đợc phân cực thuận, UAK>0, tiristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất
có thể tăng điện áp anode-catode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất
Uthmax. Khi đó điện trở tơng đơng trong mạch anode-catode sẽ giảm đột ngột và
dòng qua tiristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phơng pháp này trong thực tế
không đợc áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào
cũng có thể tăng đợc điện áp đến giá trị Uthmax. Vả lại nh vậy sẽ xảy ra trờng hợp
tiristor tự mở ra dới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên
không định trớc.
Phơng pháp thứ hai, phơng pháp đợc ứng dụng trong thực tế là đa một xung
dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catode. Xung dòng điện
điều khiển sẽ chuyển trạng th¸i cđa tiristor tõ trë kh¸ng cao sang trë kh¸ng thấp ở
mức điện áp anode-catode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-catode lớn hơn một giá
trị nhất định, gọi là dòng duy trì Idt thì tiristor tiếp tục ở trạng thái mở dẫn dòng mà
không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển nữa. Điều này có nghĩa là có thể điều
khiển các tiristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất
của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công suất của mạch lực mà tiristor là
một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
b. Khóa tiristor
Một tiristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tơng đơng
anode-catode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Idt.
Tuy nhiên để tiristor vẫn ở trạng thái khóa với trở kháng cao, khi điện áp anodecatode lại dơng( UAK >0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp
phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình.
Khi tiristor dÉn dßng theo chiỊu thn, UAK >0 hai líp tiếp giáp J1, J3 phân
cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị

phân cực ngợc. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để
khóa tiristor lại cần giảm dòng anode-catode về dới dòng mức duy trì (Idt) bằng
cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngợc lên giữa anode-catode
(UAK <0 ) trong một khoảng thời gian tối thiểu gọi là thời gian phục hồi tr, chỉ sau
đó tiristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian phục hồi
có một dòng điện ngợc chạy giữa catode và anode. Dòng điện ngợc này di tản các
điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tơng đơng của hai tiếp giáp
J1, J3 đợc phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lợng điện tích cần đợc di
tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của tiristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp
ngợc tại thời điểm đó.
4. Các thông số cơ bản của tiristor
a. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristor IV (A)
Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua tiristor phụ thuộc vào các điều
kiện làm mát và nhiệt độ môi trờng:
- Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến 30% IV
- Làm mát cỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng đến 60% IV
- Làm mát cỡng bức b»ng n−íc: Cã thĨ sư dơng 100% IV
24


b. Điện áp ngợc cho phép lớn nhất Ungmax(V)
Trong các ứng dụng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode và catode
UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ungmax. Ngoài ra còn đảm bảo độ d thừa nhất định về
điện áp nghĩa là Ungmax phải đợc chọn ít nhất là bằng 1,2-1,5 lần giá trị biên độ lớn
nhất của điện áp trên sơ đồ.
c. Thời gian phục hồi tính chất khóa của tiristor
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode-catode của
tiristor sau khi dòng anode-catode đà về bằng không trớc khi lại có thể có điện áp
UAK dơng mà tiristor vẫn khóa
1.2.4 Triac và Diac

1. Cấu tạo và ký hiệu của triac
T2
T2
p

n

G

n
G

T1

n p n
T1

Hình 1.4 a) Cấu tạo
b) Ký hiệu
Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc
p-n-p-n nh ở tiristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 nh đợc thể hiện trên
hình 1.4a. Triac có ký hiệu trên sơ đồ nh trên hình 1.4b, có thể dẫn dòng theo cả
hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tơng đơng với hai
tiristor đấu song song ngợc chiều nhau.
2. Đặc tính Vôn-Ampe của triac
Đặc tính Vôn-Ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần t thứ I
và thứ III, mỗi đoạn đều giống nh đặc tính thuận của một tiristor nh đợc biểu
diễn trên hình 1.5. Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dơng (
dòng đi vào cực điều khiển ) hoặc bằng xung dòng âm(dòng đi ra khỏi cực điều
khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn, nghĩa là dòng chỉ

có thể chảy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định,
lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dơng.
T2

Iv

A
Iv

IG2>IG1>IG0 =0
Idt
0

UD,0

U25
T2,T1
Umax

RG
+

G

T1