BÁO cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn đề tài tìm hiểu về thyristor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.
HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ
MINH

BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN
DẪN
Đề tài: Tìm hiểu về Thyristor
Nhóm 3 – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01

Ngày 20 tháng 05 năm 2022
1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN DẪN
Đề tài: Tìm hiểu về Thyristor
Nhóm 3 – Vật lý bán dẫn (EE1007)_L01
Thành viên
Trần Huy Hồng Anh
Võ Trọng Tấn
Ngơ Trí Qn
Lê Hồ Minh Huy

2

TĨM TẮT BÀI BÁO CÁO
Dựa vào các kiến thức lí thuyết đã được học và đã tìm hiểu, trình bày cấu tạo, nguyên
lý hoạt động, đặc tuyến I-V, ứng dụng của Thyristor và phân tích 1 ví dụ về ứng dụng
của Thyristor.

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên với tình cảm sâu sắc và chân thành nhất cho phép chúng em được bày tỏ
lòng biết ơn đến tất cả các cá nhân và tổ chức đã tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ chúng
em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này. Trong suốt thời gian từ khi
bắt đầu học tập tại trường đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ của quý Thầy Cơ và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến đến cô Phan Võ Kim Anh và thầy
Nhan Hồng Kỵ đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian
học tập tại trường. Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô nên đề tài bài
tập lớn của em mới có thể hồn thiện tốt đẹp.
Một lần nữa, nhóm em xin chân thành cảm ơn cơ - Người đã trực tiếp giúp đỡ, quan
tâm, hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt bài báo cáo này.
Bài báo cáo bài tập lớn thực hiện trong khoảng thời gian ngắn. bước đầu đi vào thực tế
của nhóm em cịn hạn chế và cịn nhiều bỡ ngỡ. Khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô để ý kiến thức của
em trong lĩnh vực này được hoàn thiện đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ý
thức của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3


MỤC LỤC
TÓM TẮT BÀI BÁO CÁO.............................................................................................................. 3

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................................ 3
MỤC LỤC............................................................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU........................................................................... 5

CHƯƠNG 1: THYRISTOR
Phần 1. Cấu tạo...................................................................................................................................... 6
Phần 2. Nguyên lý hoạt động........................................................................................................... 7
Phần 3. Đặc tuyến I-V......................................................................................................................... 9
Phần 4. Ứng dụng............................................................................................................................... 11

CHƯƠNG 2: Phân tích ứng dụng của Thyristor
Phân tích ứng dụng của Thyristor................................................................................................ 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 15

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Ảnh logo trường……………………………………...1
Cấu tạo Thyristor........................................................................ 6
Nguyên lý hoạt động Thyristor............................................. 7
Đặc tuyến I-V.............................................................................. 9
Proteus ví dụ Thyristor.................................................... 13,14

5


CHƯƠNG I: THYRISTOR

PHẦN 1: CẤU TẠO
Thyristor hay còn gọi với cái tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu
silic có điều khiển) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh
kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử
Thyristor có ba cực hoạt động là anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G), nó có
vai trị như một khóa điện tử có điều khiển. Trong đó Thyristor chỉ cho phép dẫn điện
từ Anot sang Katot khi cho một dịng điện kích thích vào chân G
Vào những năm 1950 thì thyristor được đề xuất bởi William Shockley và bảo vệ bởi
Moll cùng một số người khác ở phịng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ), được phát triển lần
đầu bởi các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) mà đứng đầu là Gordon Hall
và thương mại hóa bởi Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric năm 1957

Thơng thường thì một thyristor sẽ bao gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được
nối ra ba chân:
- A – kí hiệu anode: có nghĩa là cực dương
- K – kí hiệu cathode: có nghĩa là cực âm
- G – gate: có nghĩa là cực khiển (cực cổng)
Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch
và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT
loại PNP). Chúng hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng
dẫn khi không có điện. Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dịng điện có điều
khiển.

6


PHẦN 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Trường hợp cực G để hở hay VG = OV

Khi cực G và VG = OV có nghĩa là transistor T1 khơng có phân cực ở cực B nên T1

ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy
trường hợp này Thyristor không dẫn điện được, dòng điện qua Thyristor là IA = 0 và
VAK ≈ VCC.
Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăng theo đến
điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống như diode và dòng điện
IA tăng nhanh. Lúc này Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với
lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding). Sau đó đặc tính
của Thyristor giống như một diode nắn điện
Trường hợp đóng khóa K:
VG = VDC – IGRG, lúc này Thyristor dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc này
transistor T1 được phân cực ở cực B1 nên dịng điện IG chính là IB1 làm T1 dẫn điện,
cho ra IC1 chính là dịng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dịng điện IC2 lại
cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1.
Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà khơng cần có dịng IG 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 hịa. Khi đó điện áp VAK 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.

7


Phân cực ngược Thyristor là nối A vào cực âm, K vào cực dương của nguồn VCC.
Trường hợp này giống như diode bị phân cự ngược. Thyristor sẽ không dẫn điện mà
chỉ có dịng 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 VBR. Thông thường trị số VBR và VBO bằng nhau và ngược dấu.

8


PHẦN 3: ĐẶC TUYẾN I-V
Khi thyristor đã được chuyển sang ON và đang truyền dòng điện theo hướng thuận
(cực dương), tín hiệu cổng sẽ mất tất cả sự kiểm sốt do tác động chốt tái tạo của hai
bóng bán dẫn bên trong. Việc áp dụng bất kỳ tín hiệu cổng hoặc xung nào sau khi tái
tạo được bắt đầu sẽ khơng có tác dụng gì cả vì thyristor đã được hoạt động và ON
hồn tồn.

Đặc tuyến IV của Thyristor
Khơng giống như bóng bán dẫn, SCR khơng thể bị sai lệch khi ở trong một số vùng
hoạt động dọc theo đường tải giữa trạng thái chặn và bão hịa của nó. Độ lớn và thời
lượng của xung bật tắt cổng Gate ít ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị do sự dẫn
truyền được kiểm sốt bên trong. Sau đó, áp dụng xung cổng tạm thời cho thiết bị là
đủ để khiến thiết bị hoạt động và sẽ tồn tại vĩnh viễn ngay cả khi tín hiệu cổng bị loại
bỏ hồn tồn.
Do đó, thyristor cũng có thể được coi là một cơng tắc có thể có hai trạng thái ổn định
ON hoặc OFF. Điều này là do khơng áp dụng tín hiệu cổng, bộ chỉnh lưu điều khiển
bằng silicon chặn dòng điện theo cả hai hướng của dạng sóng AC và một khi được
kích hoạt dẫn điện, hành động chốt tái tạo có nghĩa là nó khơng thể được bật lại OFF
bằng cách sử dụng Cổng Gate . Vậy làm thế nào thyristor thoát khỏi trạng thái
OFF? Khi thyristor đã tự vào trạng thái ON của nó và truyền một dịng điện, nó chỉ có
thể được bật lại OFF bằng cách loại bỏ hoàn toàn điện áp cung cấp và do đó dịng
Anode ( I A ) hồn tồn, hoặc bằng cách giảm Anode của nó xuống cathode hiện bởi
một số phương tiện bên ngồi (việc mở một cơng tắc chẳng hạn) xuống dưới một giá
trị thường được gọi là “hiện tại nắm giữ tối thiểu”, IH .
Do đó, dịng Anode phải được giảm xuống dưới mức giữ tối thiểu này đủ lâu để các

thyristor bên trong chốt nối để khôi phục trạng thái chặn của chúng trước khi điện áp
chuyển tiếp được áp dụng lại cho thiết bị mà không
9


tự động dẫn. Rõ ràng sau đó để một thyristor tiến hành ở nơi đầu tiên, dòng Anode
(IA), cũng là dịng tải của nó, IL phải lớn hơn giá trị hiện tại của nó. Đó là IL > IH .
Vì thyristor có khả năng bật điều khiển OFF bất cứ khi nào dòng Anode bị giảm
xuống dưới giá trị giữ tối thiểu này. Đo đó, khi được sử dụng trên nguồn cung cấp AC
hình sin, SCR sẽ tự động chuyển sang OFF tại một giá trị nào đó gần với giá trị chéo
vượt quá điểm của mỗi nửa chu kỳ, và như chúng ta biết bây giờ, sẽ vẫn còn OFF cho
đến khi ứng dụng xung kích hoạt Cổng tiếp theo.
Kể từ khi một điện áp hình sin AC liên tục đảo ngược trong cực từ chu kỳ âm sang
chu kỳ dương với mỗi nửa chu kỳ, điều này cho phép các thyristor để biến “OFF” ở
180° ở điểm 0 của dạng sóng dương. Hiệu ứng này được gọi là giao hốn tự nhiên, và
là một đặc tính rất quan trọng của bộ chỉnh lưu điều khiển silicon.
Các thyristor được sử dụng trong các mạch được cung cấp từ nguồn cung cấp DC,
điều kiện giao hốn tự nhiên này khơng thể xảy ra do điện áp cung cấp DC liên tục,
do đó, một số cách khác để bật ra OFF, thyristor phải được cung cấp vào thời điểm
thích hợp vì một khi được kích hoạt nó sẽ vẫn hoạt động.
Tuy nhiên, trong mạch hình sin AC giao hốn tự nhiên xảy ra cứ sau nửa chu kỳ. Sau
đó, trong nửa chu kỳ dương của dạng sóng hình sin AC, thyristor bị lệch về phía trước
(cực dương) và có thể được kích hoạt trạng thái ON bằng cách sử dụng tín hiệu Cổng
hoặc xung. Trong nửa chu kỳ âm, Anode trở nên âm trong khi Cathode dương.
Thyristor bị phân cực ngược bởi điện áp này và không thể dẫn điện ngay cả khi có tín
hiệu Cổng Gate. Vì vậy, bằng cách áp dụng tín hiệu Cổng vào thời điểm thích hợp
trong nửa dương của dạng sóng AC, thyristor có thể được kích hoạt dẫn truyền cho
đến khi kết thúc nửa chu kỳ dương. Do đó, điều khiển pha có thể được sử dụng để
kích hoạt thyristor tại bất kỳ điểm nào dọc theo nửa dương của dạng sóng AC và một
trong nhiều ứng dụng của Bộ chỉnh lưu điều khiển Silicon.

10


PHẦN 4: ỨNG DỤNG
-

Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu dòng điện và điện
áp cao, và thường được sử dụng để điều khiển dòng điện xoay chiều
AC(Alternating current), vì sự thay đổi cực tính của dịng điện khiến thiết bị có
thể đóng một cách tự động(được biết như là q trình Zero Cross-q trình đóng
cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp hình sin). Thiết bị có thể được coi là
hoạt động một cách đồng bộ, một khi thiết bị được kích hoạt, nó dẫn dịng điện
cùng pha với điện áp đặt qua cực âm của nó đến điểm nối cực dương mà khơng
cần điều chế cổng nào nữa.

-

Thyristor có thể được tìm thấy trong nguồn cung cấp năng lượng cho các mạch
kĩ thuật số, nơi chúng được sử dụng như một loại “Enhanced circuit breaker” để
ngăn chặn sự cố trong nguồn điện làm hỏng các bộ phận hạ nguồn. Thyristor
được sử dụng trong chuyển tiếp với Zener diode gắn vào cổng của nó, và nếu
điện áp đầu ra của nguồn cung cấp tăng lên trên điện áp Zener, thyristor sẽ dẫn
và đoản mạch đầu ra nguồn điện xuống đất. Loại mạch bảo vệ dòng điện này
được biết đến là “crowbar circuit”, có những lợi thế hơn bộ ngắt mạch tiêu
chuẩn hay cầu chì trong đó nó tạo ra một đường dẫn điện cao tiếp đất đối với
điện áp cung cấp gây hại và có khả năng cho năng lượng dự trữ trong hệ thống
đang được cấp điện.

*Mạch snubber: là mạch được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn dung để bảo vệ và

cải tiến hiệu suất. Chúng có nhiều mục đích khác nhau, cụ thể là giảm tiêu hao cơng
suất trong mạng chuyển mạch điện tử cơng suất.
- Thyristor có thể được kích hoạt bằng . Khi tăng điện áp ngồi trên cực dương và cực

âm của thyristor, sẽ có một dịng điện tích tương tự như dịng điện nạp của tụ điện.
Tốc độ tăng tối đa của điện áp ngoài hoặc định mức

của thyristor là một tham số

quan trọng vì nó cho biết tốc độ tăng tối đa của điện áp anode không làm cho
thyristor trở nên dẫn điện khi khơng có tín hiệu cổng được áp dụng. Khi dịng điện
tích do tốc độ tăng của điện áp ngồi qua cực dương và cực âm của thyristor trở nên
bằng dịng điện tích được đưa vào khi cổng được cấp điện thì nó dẫn đến kích hoạt
11


ngẫu nhiên và sai của thyristor không mong muốn .
- Để tránh điều này xảy ra cần kết nối với mạch điện trở - tụ điện (RC) giữa cực
dương và âm để hạn chế tốc độ thay đổi điện áp theo thời gian

. Snubbers là mạch

hấp thụ năng lượng được sử dụng để triệt tiêu các xung điện áp gây ra bởi độ tự cảm
của mạch khi một công tắc, điện hoặc cơ mở ra. Mạch snubber phổ biến nhất là một
tụ điện và điện trở mắc nối tiếp qua công tắc(transistor).
*Hệ thống truyền tải mạch cao áp(HVDC electricity transmission):
- Kể từ khi các thyristor hiện đại có thể chuyển đổi công suất ở quy mô megawatt, van

thyristor đã trở thành trái tim của viiệc chuyển đổi dòng điện một chiều cao áp
(HVDC) sang hoặc từ dòng diện xoay chiều. Trong lĩnh vực này và các ứng dụng

công suất cao khác, cả thyristor kích hoạt bằng điện (ETT) và kích hoạt bằng ánh sáng
(LTT) vẫn là lựa chọn chính. Thyristor được bố trí thành các mạch cầu diode và để
giảm sóng hài( là sóng có tần số là bội số nguyên dương của tần số cơ bản) người ta
mắc nối tiếp tạo thành bộ biến đổi 12 xung. Mỗi thyristor được làm mát bằng nước
khử ion và toàn bộ sự sắp xếp trở thành một trong nhiều mô-đun giống hệt nhau tạo
thành một lớp trong ngăn xếp van nhiều lớp được gọi là van bốn lớp.
→ Thyris được sử dụng trong nhiều các ứng dụng đa dạng khác như:
- Chủ yếu được sử dụng trong bộ truyền động động cơ tốc độ thay đổi
- Công tắc đánh lửa ô tô
- Trong báo động chống trộm
- Làm thiết bị điều chỉnh độ sáng trong tivi, rạp chiếu phim…

12


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG
CỦA THYRISTOR
Một trong những ứng dụng của thyristor là hoạt động như 1 công tắc đóng và mở.
Đầu dương được nối vào anode, đầu âm được nối vào cathode và cồng kích G được

nối vào phần kích dịng điện.
Hình 1. Sơ đồ mạch của thyristor hoạt động như công tắc.
Sơ đồ gồm 1 pin 12V, 1 nút bấm, 2 điện trở, 1 đèn led và 1 thyristor.
Qui trình hoạt động:
Khi chưa đóng button, khơng có dịng điện kích tại chân G nên thyristor khơng
dẫn. Từ đó led sẽ khơng phát sáng.
Khi đóng button, sẽ có địng điện đi qua và kích vào chân G làm cho thyristor
dẫn, Từ đó led phát sáng.
Thả button, do trước đó đã có dịng điện kích nên thyristor vẫn dẫn, led vẫn sẽ
phát sáng.

13


Hình 2. Sau khi đã đóng và nhả button

14


TÀI LIỆU THAM KHẢO
-

Giáo trình Vật Lý Bán Dẫn

-

15