Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điot công suất mạch bảo vệ động cơ bằng dung dich bán dẫn p2 ppt

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


11
Lớp phát E có cờng độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc B có nồng độ tạp chất
nhỏ nhất. Để phân biệt với các loại tranzito khác, tranzito PNP và NPN còn
gọi là tranzito lỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Tranzito).
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động
Trong điện tử công suất ngời ta dùng phổ biến nhất loại tranzito NPN.
tranzito công suất đợc dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cờng độ
tơng đối lớn, vì vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng và trạng thái
mở.
Để tranzito làm việc ngời ta phải đa điện áp một chiều tới các cực B
của tranzito gọi là phân cực cho tranzito.

a) b)
Hình 1.10: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại
Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ. Do J
E

phân cực thuận nên các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua J
E
tạo nên
dòng emitơ (I
E
). Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch
tán sâu vào vùng bazơ hớng tới J
C
. Trên đờng khuếch tán một phần nhỏ bị
tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I
B

). Do cấu tạo
miền bazơ mỏng nên gần nh toàn bộ các hạt khuếch tán tới đợc bờ của J
C
và
bị trờng gia tốc (do J
C
phân cực ngợc) cuốn qua tới đợc miền colectơ tạo
nên dòng điện colectơ (I
C
). Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng
điện trong tranzito: I
E
= I
B
+ I
C
(1-3)
Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ngời ta
định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của tranzito.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


12
=
C
E
I
I
(1- 4)
Hệ số xác định chất lợng của tranzito và có giá trị càng gần một với

các tranzito loại tốt.
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I
B
tới dòng colectơ (I
C
),
ngời ta định nghĩa về hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito.
=
C
B
I
I
(1- 5)
thờng có giá trị trong khoảng vài chục đến vài trăm.
Từ các biểu thức trên ta có mối quan hệ giữa các hệ số:
I
E
= I
B
(1+) (1- 6)
và =
1


+
(1- 7)
u điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng I
B
là có thể điều
khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng.

1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito
Gọi I
C
là dòng colectơ chịu đợc điện áp bão hoà V
CEsat
khi tranzito dẫn
dòng bão hoà I
B
= I
Bbh
và khi khoá I
B
= 0; V
CEsat
=V
CE
.
+ Mạch trợ giúp tranzito mở
Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở. Mạch trợ
giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R
2
), điôt(D
2
)

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


13










Hình 1.11: Mạch trợ giúp tranzito mở
t
f
: thời gian cần thiết để I
C
từ giá trị max giảm xuống 0
Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho
nên dòng tải = const.
Sơ kiện: V
CE
= 0
I
C
= I I

D
= 0 (1- 8)
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng I
C

giảm xuống không trong khoảng thời gian t
f
. Nếu không có mạch trợ giúp ta
có: I = I
C
+ I
D
= const (1-9)
Khi giảm I
C
thì I
D
Tăng lên ngang D
1
sẽ làm ngắn mạch tải năng lợng
tiêu tán bên trong tranzito sẽ là:


2
f
T
UIt
W =
(1-10)
Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho trazito.

I= I
C
I
D
= const
Khi I
C
bắt đầu giảm thì I
1
cũng bắt đầu tăng(I
C
và I
1
phi tuyến với nhau,
lúc này tụ điện C đợc nạp điện)

Vc C
t
dII
dC

=
(1-11)
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


14
Khi t = t
f
; I

c
= 0 V
c
(t
f
)= V
0
= V
CE
<< V
CC


Vc
t
dI
dC
=
(1-12)
Sau thời gian t
f
tụ C đợc nạp bằng dòng I, cho đến khi V
c
= V
CE
lúc

này
D
1

cho dòng chạy qua, thời gian tổng cộng của quá trình chuyển sang trạng
thái mở là t
c
.
Điện dung đợc tính gần đúng bằng công thức:

1
CE
F
dv U
I
IC C
dt t
==



F
It
C
U
=
(1- 13)
Trong thực tế ngời ta chọn C trong khoảng. 2t
f
t
F
5t
f

+ Mạch trợ giúp đóng tranzito

Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito
Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng
của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D
3
), điện trở (R
3
) có chức
L
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


15
năng hạn chế sự tăng vọt của dòng I
C
trong khoảng thời gian đóng T
on
của
tranzito.
T
on
: là thời gian cần thiết để V
CE
giảm từ điện áp nguồn V
CC
xuống V
CE
0.
Thời gian tổng cộng cho qúa trình đóng là t

f
.
điện cảm L đợc tính theo công thức:

di i I UR
LUL L L
dt t R I

== = =

(1- 14)
Để chọn L ta chọn thời gian đóng t
r
trong khoảng: 2t
on
< t
r
< 5t
on
Điện trở R
4
có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong
cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D
5
; R
4
trong khoảng thời gian t
c
chuyển
sang trạng thái mở của tranzito.

Nh vậy t
c
phải thoả mãn điều kiện.


4
c
i
t
R
>
(1-15)
Điện trở R
5
có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong
mạch với khoảng thời gian đóng t
f
.
Ta có D
6
: Tạo mạch đối với xung áp dơng đặt vào cực gốc bazơ
D
5
: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (bazơ)
D
4
: Dùng để chống bão hoà
1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất
+ Mạch khuếch đại

Hình: 1.13: Tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại
- Trong thực tế tranzito thờng đợc làm việc ở chế độ khoá
- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực ghóp bằng không,
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


16
tranzito lúc này hở mạch hoàn toàn.
- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hoà thì tranzito trở về trạng thái
dẫn hoàn toàn.
1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito
- Độ khuếch đại dòng điện


có trị số thay đổi theo dòng I
C
. Khi dòng I
C
nhỏ thì thấp, dòng I
C

tăng thì
tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng I
C
đến mức bão hoà thì
giảm.

=
C
B
I
I
(1-16)
- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua tranzito phải đợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị
số thì tranzito sẽ bị h.
I
Cmax
: là dòng điện tối đa ở cực colectơ
I
Bmax
: là dòng điện tối đa ở cực bazơ
- Điện thế giới hạn
Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngợc tối đa
đặt vào giữa các cặp cực.
- Tần số cắt
Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch
đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào.




Bảng 1.2 Giới thiệu một số loại tranzito

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46

17
V
CE
V
CE0
V
CE,sat
I
C
I t
f
t
on
t
s
P
m
M· hiÖu
V V V A A
μs μs μs
W
BUV, (BUX)20

21
22
23
24

BUT 90

91

BUX 47
47A
48
48A
98
98C

ESM 3000
3001
3002
3004
3005
3006
3007
160

250
300
400
450

200
300

850
1000
850
850

850
1200

200
200
250
600
600
1000
1000
125

200
250
325
400

125
200

400
450
400
400
400
700

100
150
200

400
500
600
700
1,2

1,5
1,5
1
1

1,2
1,2

1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5

1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
50

40
40
30
20

50
50

9
9
15
15
30
30

150
150
140
120
120
50
50
5

3
2,5
3,2
2,4

7

4

1,2
1
2
2
4
3

15
15
28
13
10
7
6
0,3

0,12
0,5
1,2
1,4

0,4
0,3

0,8
0,8
0,8
0,8

0,8
0,8

0,5
0,5
0,7
1
1
1,5
1,5
1,5

1,8
1,3
1,3
1,6

1,2
1

1
1
1
1
1
1

1,5
1,5
1,5

1,5
1,5
1,5
1,5
1,2

1,2
2
2,5
3

1,5
1,5

3
3
3
3
3
3

1,8
1,8
2
3,5
3,5
5
5
250
(50)

50
50
50
50

250
250

125
125
175
175
250
250

400
400
400
400
400
300
300

1.3 Thyristor
1.3.1 CÊu t¹o
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


18
Thyristor còn đợc gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện

đợc điều khiển bằng chất silicum.
Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép
nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A dơng cực, Catode ký hiệu là K âm
cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa.
J
1
, J
2
, J
3
là các mặt ghép.












Hình 1.14: Thyristor a- Sơ đồ cấu trúc bên trong
b- Ký hiệu c- Các loại thyristor
1.3.2 Nguyên lý làm việc
Tùy theo cách nối của A và K của thyristor với nguồn điện một chiều
mà thyristor có thể đợc phân áp ngợc hay phân áp thuận.
Khi phân áp ngợc (anôt nối với cực âm nguồn, catôt nối với cực dơng
nguồn) nh hình1.15 thì lớp phân cực J

2
phân cực thuận (điện trở rất nhỏ)
nhng các lớp tiếp xúc J
1
và J
3
lại phân cực ngợc (điện trở rất lớn) không có
dòng điện qua từ K sang A. Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chảy qua
và không sáng. Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ
vài mA. Đặc tính V- A khi phân áp ngợc là nhánh thuộc góc phần t thứ III.
c
b
a
c
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


19
Khi điện áp ngợc tăng đến một trị số nào đó đủ lớn (U
ct
) thì thyristor
bị chọc thủng giống nh trờng hợp của điôt và kết quả là dòng điện ngợc
tăng lên rất nhanh và mạnh.
Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dơng nguồn, catôt nối với cực âm
nguồn) nh hình 1.15 thì các lớp J
1
và J
3
đợc phân cực thuận, điện trở rất
nhỏ, nhng lớp J

2
lại bị phân cực ngợc, có điện trỏ rất lớn. Do vậy, trờng
hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J
2
(thuộc góc phần
t thứ I).

Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngợc và thuận của một thyristor
Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận,
còn thyristor có phân áp thuận cũng cha dẫn điện. Muốn cho thyristor thông
khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện. Điều kiện gì? Đó là phải cấp một
xung áp dơng vào cực điều khiển G khi thyristor đợc phân áp thuận. Xung
dơng điều khiển có thể đợc tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở
Hình 1.16
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


20

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor
Khi đó, lớp tiếp xúc J
3
đợc phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn E
g

nên dòng điện qua lớp J
3
tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N
2

chuyển dịch sang P
2
với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng
điều khiển I
g
, phần khác lớn hơn, vợt qua lớp J
2
vào N
1
rồi qua P
1
về nguồn
tạo ra dòng I
a
. Khi các điện tử lớp J
2
với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên
tử trung hòa trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do khác. Số điện tử mới
lại bắn phá tiếp các nguyên tử trung hòa khác cứ nh thế, số điện tử tự do
tăng lên rất nhanh, số các phần tử dẫn điện tăng vọt, điện trở trong cùng điện
trờng rào thế giảm mạnh và dòng điện qua thyristor tăng vọt. Điểm làm việc
chuyển từ T
1
sang T
2
rồi T hình 1.17. Thyristor ở trạng thái thông.
Trị số dòng điện I
a
phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình:
1.16 dòng I

a
phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn).
Khi thyristor thông điện trở trong R
13
của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục
hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp
U
13
không đáng kể (không quá 1V).
Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt
dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông. Nguyên do vì dòng I
a
qua lớp J
2
sẽ
tiếp tục làm điện trở lớp J
2
giảm thấp và duy trì sự dẫn điện. Qua lớp này từ N
1

sang P
2
.
Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông thyristor
mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT
1
trở thành OT
1
, OT
1

Thì cần phải
tăng dòng điều khiển lớn hơn I
đk1
> I
đk1
> I
đk1
. Khi dòng điều khiển tăng tới