Bài giảng điện tử công suất và truyền động điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐOÀN VĂN ĐIỆN

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

HƯNG YÊN 2017
1


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 2
PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ............................................................................................ 5
Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN .............................................. 6
1.1. NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .................................................................. 6
1.2. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN ................................................... 6
1.2.1. Diode công suất ....................................................................................................... 6
1.2.2. Transistor công suất .............................................................................................. 10
1.2.3. Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier) ....................................................... 18
1.2.4. Triac (Triode Alternative Current) ........................................................................ 25
1.2.5. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor) .................................................................. 27
1.2.6. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) ............................................................. 28
1.2.7. IGTC (Integrated Gate Commutated Thyristor).................................................... 29
1.2.8. MCT (MOS CONTROLLED THYRISTOR) ....................................................... 30
1.2.9. MTO (MOS TURN OFF THYRISTOR) .............................................................. 31
1.2.10. ETO (EMITTER TURN OFF THYRISTOR) .................................................... 32
1.2.11. Khả năng hoạt động của các linh kiện................................................................. 34

Chương 2. CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU ......................................................... 35
2.1. PHÂN BIỆT SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU, LUẬT ĐÓNG MỞ VAN ...................... 35
2.1.1. Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu ............................................................................ 35
2.1.2. Nguyên lí làm việc, luật đóng mở van .................................................................. 36
2.2. CHỈNH LƯU HÌNH TIA .............................................................................................. 39
2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha không và có điều khiển .................................... 39
2.2.2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không và có điều khiển....................................... 41
2.3. MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU ............................................................................... 42
2.3.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không và có điều khiển................................... 42
2.3.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha không và có điều khiển ..................................... 44
2.4. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 47
2.4.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha ......................................................................... 47
2.4.2. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha ................................................................................... 48
Chương 3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................... 51
3.1. KHÁI QUÁT CHUNG ................................................................................................. 51
3.2. BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP ............................................. 53
3.3. MẠCH XUNG ÁP SONG SONG ................................................................................ 55
3.4. BỘ ĐIỀU CHỈNH XUNG ÁP 1 CHIỀU HỖN HỢP ................................................... 56
3.5. MỘT SỐ SƠ ĐỒ XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÁC .................................................... 57
3.5.1. Sơ đồ xung áp loại B ............................................................................................. 58
3.5.2. Sơ đồ xung áp có đảo chiều................................................................................... 61
Chương4. ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ........................................................................................ 69
4.1. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ................................................. 69
4.1.1. Sơ đồ nguyên lý..................................................................................................... 69
4.1.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................... 69
4.1.3. Chế độ dòng tải ..................................................................................................... 70
4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA ........................................................ 71
4.2.1. Trường hợp tải thuần trở đối xứng ........................................................................ 72
4.2.2. Trường hợp tải thuần cảm đối xứng ..................................................................... 73
4.2.3. Trường hợp tải điện trở và điện cảm ..................................................................... 74

Chương 5.NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN .............................................................................. 76
5.1. THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI DÒNG ĐIỆN MỘT PHA ......................................................... 76
5.2. BBĐ MCXC NGUỒN ÁP 3 PHA ................................................................................ 76
5.3. THIẾT BỊ BIẾN TẦN BA PHA GIÁN TIẾP .............................................................. 77
2


5.3.1. Khái niệm chung ................................................................................................... 77
5.3.2. Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn áp ......................................................................... 78
5.3.2. Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn dòng ..................................................................... 79
5.4. BIẾN TẦN TRỰC TIẾP ............................................................................................... 81
Chương 6.NGUYÊN TẮC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI........................ 84
6.1. CÁC NGUYÊN TẮC VÀ CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN ............................................... 84
6.1.1. Các nguyên tắc điều khiển .................................................................................... 84
6.1.2. Khuếch đại và biến đổi xung điều khiển ............................................................... 86
6.2. MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................................................................. 86
6.2.1. Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu ............................................................................... 86
6.2.2. Mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều ................................................................ 86
PHẦN 2 - TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN........................................................................................ 101
Chương 1. KHÁI NIỆM, CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ......................................................................................................... 101
1.1. CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG .. 101
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống truyền động điện tự động ................................................ 101
1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện tự động...................................................... 101
1.2. CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ............ 102
1.2.1. Đặc tính cơ của động cơ điện .............................................................................. 102
1.2.2. Đặc tính cơ của máy sản xuất .............................................................................. 103
1.2.3. Trạng thái làm việc của hệ truyền động điện tự động ......................................... 104
1.2.4. Quy đổi các đại lượng cơ học.............................................................................. 105
1.2.5. Phương trình động học của hệ TĐĐ TĐ ............................................................. 107

1.2.6. Điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động điện tự động .................................... 107
1.2.7. Các đặc tính của động cơ điện............................................................................. 108
1.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ......... 109
1.3.1. Phương trình đặc tính cơ - ảnh hưởng của các tham số ...................................... 110
1.3.2. Vẽ các đặc tính cơ ............................................................................................... 115
1.3.3. Tính toán điện trở khởi động ............................................................................... 117
1.3.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm .................................................................. 117
1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP .......... 122
1.4.1. Phương trình đặc tính cơ và cách vẽ ................................................................... 122
1.4.2. Tính toán điện trở khởi động ............................................................................... 126
1.4.3. Các trạng thái hãm của động cơ kích từ nối tiếp ................................................. 126
1.5. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ KĐB .............................................................................. 128
1.5.1. Phương trình đặc tính cơ ..................................................................................... 128
1.5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ ...................................................... 131
1.5.3. Khởi động và cách xác định điện trở khởi động ................................................. 133
1.5.4. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm .................................................................. 134
1.6. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ..................................................................... 140
1.6.1. Các đặc tính động cơ đồng bộ ............................................................................. 140
1.6.2. Khởi động và hãm động cơ đồng bộ ................................................................... 143
CHƯƠNG 2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .............................. 146
2.1. VẤN ĐỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
TĐĐ ................................................................................................................................... 146
2.1.1. Các định nghĩa ......................................................................................................... 146
2.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng ............................................................................................ 148
2.2. CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ............................................................................ 149
2.2.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMĐL bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ .......................................................................................................................... 149
2.2.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của
động cơ: ......................................................................................................................... 151
3

2.2.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch
phần ứng: ....................................................................................................................... 151
2.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ............................................................................... 152
2.3.1. Hệ Máy phát - Động cơ một chiều (F-Đ) ............................................................ 152
2.3.2. Hệ Chỉnh lưu - Động cơ một chiều ..................................................................... 155
2.3.3. Các hệ TĐ điều chỉnh xung áp - động cơ ĐC ..................................................... 157
2.3.4. Đặc tính cơ .......................................................................................................... 158
2.4. ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TĐĐ MỘT CHIỀU ...................................... 159
2.4.1. Điều chỉnh Eb theo dòng tải................................................................................. 159
2.4.2. Điều chỉnh Eb theo điện áp phần ứng .................................................................. 161
2.4.3 Điều chỉnh Eb theo tốc độ ..................................................................................... 161
Chương 3. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.................................. 163
3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG .............................................................................................. 163
3.2 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTOR ............................................................... 163
3.3. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ ......................................................................... 165
3.4. ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRƯỢT PS ................................................................. 171
3.5. ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ CỦA NGUỒN CẤP CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
........................................................................................................................................... 173
3.5.1. Điều chỉnh tần số - điện áp .................................................................................. 173
3.5.2. Các bộ biến đổi tần số điện áp ............................................................................ 175
Chương 4. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ........................................................................ 178
4.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG....................................................................................... 178
4.1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................ 178
4.1.2. Phát nóng và làm nguội động cơ điện ................................................................. 178
4.1.3. Phân loại chế độ làm việc của truyền động điện ................................................. 180
4.2. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO NHỮNG TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU
CHỈNH TỐC ĐỘ ............................................................................................................... 182
4.2.1.Chọn động cơ làm việc dài hạn ............................................................................ 182

4.2.2. Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại ......................................... 182
4.3. CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CÓ ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ ...................................................................................................................................... 183
4.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ........................ 184

4


PHẦN 1- ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
MỞ ĐẦU
Điện tử công suất là một chuyên ngành của điện tử học nghiên cứu và ứng dụng các
phần tử bán dẫn công suất trong sơ đồ các bộ biến đổi nhằm biến đổi và khống chế nguồn
năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được, cung cấp cho các phụ tải điện.
Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là sử lý và điều khiển dòng năng
lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ
quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại đầu ra của bộ biến đổi.
Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi đầu ra của bộ biến đổi và cực tiểu
hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt).
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong
các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi
là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy
qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà
không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng
điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công
suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào
các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi.
Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ
biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến
đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho
phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh,

điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động
hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không
thể có được.
Với đối tượng nghiên cứu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, Điện tử công suất còn
có tên gọi là "Kỹ thuật biến đổi điện năng". Để phân biệt với các chuyên ngành khác của kỹ
thuật điện tử liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu với mức điện áp thấp và dòng điện nhỏ,
Điện tử công suất còn được gọi là "Kỹ thuật dòng điện lớn". Tuy nhiên Điện tử công suất
cũng nghiên cứu các sơ đồ mạch điều khiển các van bán dẫn công suất bằng các phần tử bán
dẫn công suất nhỏ, vì vậy các tên gọi trên đây chỉ phản ánh một phần phạm vi nghiên cứu của
lĩnh vực này.
Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện
đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ
biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia
nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa
chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau...Trong những năm gần
đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày
càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính
năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
5


Chương 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
1.1. NHIỆM VỤ CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.1.1. Định nghĩa, Phân loại
a. Điện tử tín hiệu
b. Điện tử công suất lớn
1.1.2. Nhiệm vụ của Điện tử công suất
A. Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều
B. Điều chỉnh điện áp và dòng điện một chiều
C. Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều

D. Nghịch lưu và biến tần
1.2. CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
1.2.1. Diode công suất
a. Chất bán dẫn
Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở
suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn gọi là chất
cách điện hay là chất điện môi.
Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi trong một giới
hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ). Nói cách khác, chất này
dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Đó là chất
bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện)
Trong
bảng
tuần
hoàn
(Mendeleev) các nguyên tố bán dẫn
chiếm vị trí trung gian (Hình 1.1) giữa
các kim loại và á kim. Điển hình là Ge,
Si… Vì ở phân nhóm IV, lớp ngoài cùng
của Ge, Si có 4 điện tử (electron) và
chúng liên kết đồng hoá trị với nhau tạo
thành một mạng bền vững (Hình 1.2a).
Hình 1.1. Các nguyên tố bán dẫn

Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết trong
bán dẫn, những khuyết tật có thể của mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion giữa
các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn của tinh thể bị biến đổ
và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán dẫn cũng thay đổi.
Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chảng hạn như In, thì do lớp
điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị.

Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống
(hole) dương (Hình 1.2b). Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác
để trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và
bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive).
6


Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như As, thì
do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tử đồng hoá trị với 4
nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử. Điện tử này dễ dàng rời khαi nguyên tử
As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn âm (bán dẫn
loại N – Negative).
Khi nhiệt độ chât bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động của
các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn.
Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS,
CdSb, AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua như ZnS, CdS….
Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật
và đời sống.
b. Tính dẫn điện một chiều của lớp tiếp xúc P-N
Khi ghép 2 loại bán dẫn P và N lại với nhau (Hình 1.3) thì tại chỗ hai mặt ghép giáp
nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P-N (ký hiệu là: J - Junction).

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

a,

Hình 1.2. Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c)

Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các điện tử âm tự do từ bán dẫn N chuyển sang bán
dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hoà về điện. Phía bán dẫn P, do mất lỗ
trống nên trở thành mang điện âm. Phía bán dẫn N do mất điện tử nên trở thành mang điện
dương. Do vậy, một điện trường E0 ở lớp tiếp xúc P-N được hình thành và hướng từ N sang P
( Hình 1.3a). Điện trường nay như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N
và điệ tử từ N tiếp tục sang P.
Nếu nối P-N với một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực thuận (Hình 3b) tức là
cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với bán dẫn N thì có một điện
trường ngoài (do nguồn ngoài tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0.
Điện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và điện tử tiếp tục từ N sang P tạo
ra dòng điện thuận Ith qua lớp tiếp xúc P-N.
Nếu nối P-N để tạo ra phân cực ngược (Hình 1.3c) tức là cực dương của nguồn nối với
bán dẫn N và cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì điện trường ngoài sẽ hướng từ N sang P
cùng chiều với lớp tiếp xúc E0 cản trở sự dịch chuyển của các lỗ trống từ P sang N và điện tử
tự do từ N sang P nên dòng điện không tạo ra được. Trên thực tế, vẫn có một dòng điện rất
nhỏ qua lớp tiếp xúc gọi là dòng điện ngược (vì chảy từ N sang P) hay dòng điện rò.

7


Hình 1.3. Sự hình thành lớp tiếp xúc P-N

Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất đặc biệt là chỉ cho dòng điện chảy qua khi phân
cực thuận và ngăn cản không cho dòng điện chảy qua khi phân cực ngược. Tính chất này có

được là do điện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P. Điện trường E0 tạo ra một bức rào
thế.
c. Diode công suất
Diode là phần tử bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với
bán dẫn P gọi là anode (A), đầu nối với bán dẫn N gọi là cathode (C).
Đặc tính Von-Ampe của Diode biểu thị
quan hệ I(U) giữa dòng điện qua Diode và điện
áp đặt vào hai cực Diode
Đặc tính Von-Ampe tĩnh của Diode có
hai nhánh.
Hình 1.4. Cấu tạo của Diode công suất

Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận thì dòng điện đi qua Diode tăng theo điện áp. Khi
điện áp đặt vào Diode vượt một ngưỡng Un cỡ 0, 1V-0, 5V và chưa lớn lắm thì đặc tính có
dạng Parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2).
Điện trở thuận của Diode ở một điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính
theo: Rth =

I
= tgα. Đó chính là nghịch đảo của giá trị đạo hàm dI/dU của đặc tính tại điểm
U

tính điện trở.
Nhánh ngược: ứng với phân áp ngược. Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòng điện
ngược (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngược |U| > 0,
1V thì dòng điện ngược có trị số nhỏ khoảng vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện
áp ngược đủ lớn |U| > Ung.max thì dòng điện ngược tăng nhanh (đoạn 4) và cuối cùng (đoạn 5)
thì Diode bị đánh thủng.

8

Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt
dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là điện
áp chọc thủng. Diode bị phá hỏng, để đảm
bảo an toàn cho Diode, ta nên chọn Diode
làm việc với điện áp ngược điện áp ~ 0, 8
Ung.max. Với Ung< 0, 8 Ung.max thì dòng điện
rò qua Diode nhỏ không đáng kể và Diode
coi như ở trạng thái khoá.
Hình 1.5. Đặc tính Von-Ampe của Diode

Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của Diode đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số
rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành trị số rất lớn.
Từ đặc tính V.A của Diode, có thể thấy Diode (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc
P-N) chỉ cho dòng điện chảy qua từ anode A sang cathode C khi phân áp thuận và không cho
dòng điện qua từ cathode C sang anode A khi phân áp ngược.
Đặc tính của Diode thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình 1.6). Đặc tính
V.A của một Diode lý tưởng là nhữngđoạn thẳng (đường b hình 1.6) vì khi phân áp thuận,
điện trở RAC là bằng 0, dòng điện thuận coi như ngắn mạch, còn khi phân áp ngược điện trở
RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược. Đặc tính V.A của Diode còn thay đổi theo nhiệt
độ (hình 1.7).
I
b

b
a

a

0
UAC

Hình 1.6. Đặc tính V-A của Diodethực vàDiode lý
tưởng

Hình 1.7. Đặc tính Volt-Ampe của Diode
phụ thuộc nhiệt độ

Qua đặc tính V-A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà Diode có thể dẫn dòng hay không
dẫn dòng. Diode là một van (valve) bán dẫn.
Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu (nắn) dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Khi nối một Diode vào giữa một nguồn điện xoay áp chiều vào phụ tải Diode sẽ dẫn
dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược. Sự chuyển đổi thông = khoá của Diode là không
tức thời mà cần có một thời gian nhất định.
toff– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá.
ton– thời gian cần để Diode chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông (dẫn).
Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì Diode bình thường có thể
không tạo được chế độ khoá.

9


d. Diode đệm
Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc song
song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình8). Diode đệm D0 có
hai nhiệm vụ:
- Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá. Dòng
điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 8a). Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự cảm của
của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua Diode D0

(hình 8b). Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể
phá hαng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người.
- Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải.

Hình 1.8. Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự
giảm về 0 đột ngột của dòng điện

Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp. Khi dòng
điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng
qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn. Diode D0 sẽ cho dòng
cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải. Dòng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ
thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L
nhỏ hay lớn. Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian:  = L/R
Nếu  >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như
không đổi.
1.2.2. Transistor công suất
a. Đặc điểm chung
Transitor công suất có cấu tạo tương tự như Transitor thường với các loại như NPN
hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử dụng
như 1 khoá đóng cắt điện tử. Tiếp giáp có diện tích hàng mm2 và nó có thể cho dòng điện qua
hàng chục hay hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt cao và điện áp làm việc lớn. Nó
còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Nghĩa là Transitor có hai điểm làm việc
khác biệt. Hình dưới đây mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch.

10


+Us
R1

R2
Uout

Uin

t

t

Hình 1.9. Bộ khuếch đại chuyển mạch

Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai
trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn hay không dẫn.
b. Đường đặc tính làm việc
Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng cắt được ch như hình vẽ.
Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc
ngưng dẫn.
Hình 1.10 cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB = 0) chỉ có
một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn.
Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2. ở
đây dòng điện cực đại thu IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn
thì điểm làm việc chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đầy dòng điện IC tăng rất ít, có
nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức. ở đây điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão
hoà UCEsat chúng được gọi là:UCErest

Hình 1.10. Điểm làm việc của công tắc Transitor

c. Sự điều khiển quá mức của Transitor
Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IB
quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại. ở điều khiển

quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa. Điểm điều khiển quá
mức đạt đến nếu UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0, Transitor được điều khiển quá mức nếu nó
cần làm việc như là một công tắc. Sự điều khiển quá mức có ưu điểm sau là điện áp dư UCErest
rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé.
11


Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó chính
là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn
UCB = 0.
u = IB/IB’,
Thông thường tỉ số này được chọn từ 2-5.
d. Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở
Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ chuyển
mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực Collector. Hình 11 và
12 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công suất với tải là điện trở thuần và miền đặc
tính lí tưởng của mạch.
Độ dốc của đường làm việc trên hình 12 được xác định qua độ lớn của điện trở tải. ở
điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn. ở điểm A2 thì Transitor dẫn. Vì Transitor
điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ. Như vậy trong khi đóng cũng như
trong khi ngắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1, A2 dọc
theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định. Trong thực tế không chỉ có các
điện trở thuần mà có khi còn có điện dung hoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn
dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến
quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm làm việc. Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này,
có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể
dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor. Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ.

Hình 1.12.Đặc tuyến V-A

Hình 1.11. Mạch phân áp

e. Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện
Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được
mô tả trên hình 1.13 và 1.14. Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không sẽ
không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh.

12


Hình 1.13.
Chuyển mạch công suất với tải tụ điện

Hình 1.14.
Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện

f. Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây
Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây và đường
đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.15 và 1.16.
Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn. Không có dòng điện chạy qua Rload và
Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng mạch có sẵn
dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc đầu nó nhỏ hơn
điện áp nguồn nuôi UB và nó nhỏ dần. Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra dòng điện có
chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ. Điểm làm việc chuyển
dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm
việc A2.

Hình 1.13. Chuyển mạch công suất với tải
điện cảm

Hình 1.14. Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm

Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này chạy qua
Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc
ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của từ trường và năng
lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất hiện một sức điện động tự cảm UL mà cực dương
của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm này phụ thuộc
vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình ngắt (thời gian quá trình ngắt).

13


Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc tính phía trên theo
hướng mũi tên tới điểm làm việc A1.
Qua hiện tượng tự cảm, trong quá
trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực
C của Transitor một điện áp quá cao, cao hơn
cả điện áp UB. Điều này có thể dẫn tới tình
trạng làm hαng Transitor, do đó các mạch có
tải là các cuộn dây thường cần có biện pháp
bảo vệ.
Một trong những biện pháp bảo vệ là
Hình 1.15. Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch
người ta thực hiện theo sơ đồ hình 15
khuếch đại chuyển mạch công suất

1.2.2.1. Transitor trường – Field effect Transistor
a. Khái niệm
Transitor trường được viết tắt
là FET (Field effect Transitor) là loại

Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn
khác với Transitor lưỡng cực BJT (
Bipolar Junction Transitor) loại NPN
hay PNP có tổng trở đầu vào tương
đối nhỏ ở cách lắp ráp thông thường
kiểu E chung.

Điện trường

Đường điện tử

Tinh thể bán dẫn loại N

Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET

Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với đường
dòng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928. Nhưng ứng dụng thực tế chỉ
xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời. Hình 16 mô tả nguyên lí
làm việc của FET.
Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật liệu
bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán dẫn nêu
trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán dẫn kênh N.
Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P. Sơ đồ dưới đây mô tả các loại khác
nhau của Transitor trường.
Các Transitor trường có 3 chân:
Cực máng D (Drain),
Cực nguồn (Source),
Cực cổng (Gate).
14

Các cực của Transitor trường trong so sánh với Transitor BJC
Cực S tương đương với cực Emitter
Cực G tương đương với cực Base
Cực D tương đương với cực Collector
Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng. Nó được tóm tắt trên hình 1.18.
Transitor trường (FETs)

JFETs (PNFETs)

JFETs kênh N

Kênh N

MOSFETs (IGFETs)

JFETs kênh P

Kênh P

MOSFETs

MOSFETs
kênh cảm ứng

kênh đặt sẵn

Kênh N

MOSFETs

Cổngđôi

Kênh P

Loại5
đặc biệt

VMOSFETs
SIPMOSFETs

Hình 1.17. Các loại Transitor trường

Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109Ù, ở
MOSFETs thậm chí khoảng 1015Ù) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor trường
có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất rộng rãi đặc
biệt với kỹ thuật MOSFETs.
Loại

Loại kênh N

Loại kênh P

D

D

G

JFETs

G

S

D

D

MOSFETs loại kênh liên tục
G

G

S
D

MOSFETs loại kênh gián đoạn
G

S

S

S
D

G

S

Hình 1.18. Ký hiệu Transitor trường

1.2.2.2. Transitor JFET (Junction FET)
a. Cấu tạo, nguyên lí làm việc
JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET. JFET có
hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P.
Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao gồm có
một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một lớp bán
dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực nguồn S (Source),
cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate).

15


Như vậy hình thành một kênh dẫn
điện loại N nối giữa hai cực D và S, cách li
với cực cổng G dùng làm cực điều khiển bởi
một lớp tiếp xúc bao quanh kênh dẫn. Đối
với JFET kênh P thì hoàn toàn tương tự. Ký
hiệu và cực tính điện áp phân cực cũng như
dòng điện và đặc tính điều khiển cho các
JFET loại kênh N và kênh P như hình 20.

Hình 1.19. Mặt cắt của một JFET kênh N

b. Nguyên lí hoạt động
Để phân cực JFET người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS> 0 và UGS< 0 như
hình vẽ (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại sao cho tiếp giáp P-N
bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược). Do tác dụng của các điện trường này, trên
kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới

cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID. Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và
UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều này có thể giải
thích như sau:
-ID

ID

D
G

D
UDS

S
+

G

+

-UDS

S

-

+

-UGS

-

-UD

+

UGS

-

-ID

ID

-UGS
UGS

Hình 1.20. Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P

Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 19) thì cả hai tiếp giáp PN đều bị phân
cực ngược. Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn làm cho dòng điện
không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực ngược. Khi vùng chắn cứ rộng
mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi. Trong kênh gần cực Source là rộng nhất và phía
cực Drain thì nhỏ hơn.
Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu và dòng
điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu. Độ lớn của điện trở RDS giữa Source và Drain
của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp -UGS. Như vậy điện áp có thể làm thay đổi được
điện trở RDS. Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện sẽ bị gián đoạn và kênh lúc
16

này bị thắt lại. Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không. Vì tiếp giáp PN phân cực ngược nên chỉ
có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS có
công suất tổn hao rất nhỏ.
c. Đường đặc tính
Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID và điện áp
UDS khi UGS bằng hằng số.
d. Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra:
 Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0


Đặt U1 ở giá trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số



Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau



Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS



Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 ở giá trị điện áp tiếp theo



Lập lại quá trình đo như trên.

Hình 1.21.Đặc tuyến đầu ra của JFET chia thành 3 vùng rõ rệt

Vùng tuyến tính
Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS. Đây là vùng
làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh
Vùng bão hoà
Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu
vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS. Đây là
vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử
khuếch đại, dòng điện ID được điều khiển bằng
điện áp UGS.
Vùng đánh thủng
Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột
biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiện tượng
thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp
ngược đặt lên tiếp giáp PN tại vùng này là lớn
nhất.

e. Các tham số của JFET
Tham số giới hạn
17


Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0).
Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép.
Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép.
Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0
Tham số làm việc
Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID
Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = ÄUDS/ÄID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặc tính
đầu ra trong vùng bão hoà.

Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = ÄID/ ÄUGS cho biết tác dụng điều khiển của
điện áp cực cổng tới dòng cực máng.
1.2.2.3. Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li)
Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện. Lớp
cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng chính vì vậy mà người ta gọi la
MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET). Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết
IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate).

Hình 1.22. Cấu tạo của MOSFETs kênh liên tục

MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFETs có
kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFETs có kênh cảm ứng. MOSFETs có
kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V. ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược
lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn. Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại
theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P. Mỗi loại có một kí hiệu riêng như ở hình 18.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của MOSFETs kênh liên tục.

1.2.3. Thyristor (SCR-Silicon Controlled Rectifier)
a. Cấu tạo, ký hiệu
- Cấu tạo: Thyristior là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 ghép lại. Tạo nên 3
cực anode A, Cathode K và Gate G
Về lý thuyết có hai loại Thyristor:
Thyristor kiểu N hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anode, có ký
hiệu như trên hình a:
Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần cathode, có ký
hiệu như trên hình b:
18


Trong thực tế thường gặp Thyristor kiểu N

Hình 1.23.
a. Cấu tạo Thyristor b. Hình dáng bên ngoài

Hình1.24. Ký hiệu Thyristor

Về cấu trúc Thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại n có điện trở suất
rất cao. Trên lớp đệm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm. Các chuyển tiếp được
tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi Gali. Lớp tiếp xúc giữa anode và cathode làm bằng đĩa Molipden
hay túngten có điểm nóng cgảy gần bằng Silic. Cấu tạo có dạng đĩa để dễ tản nhiệt.
Để giải thích rõ sự làm việc Thyristor ta xét chi tiết các lớp bán dẫn bên trong
Thyristor.
Lớp cathode là bán dẫn loại dãn bình thường N rất mαng (10-100m) có mật độ điện
tử rất cao,  1014cm-3, do vậy khi dòng điện thuận qua sẽ tạo nhiều điện tử ở lớp điều khiển.
Lớp Cathode có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu điện áp thấp vì chiều dày bé.
Lớp điều khiển là bán dẫn loại P rất mαng cỡ 10m, có mật độ điện tử trung bình, do
vậy hầu hết các điện tử xuất phát từ Cathode đều tới được lớp điều khiển.
Cathode

Lớp chắn là lớp bán dẫn loại N dày
nhất có mật độ điện tử thấp nhất, do đó có dòng
điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được
điện áp ngược lớn.
Lớp anode là bán dẫn loại P có chiều
dày và mật độ trung bình. Lớp sát vα anode có
mật độ điện tích rất cao làm gảim điện trở thuận.
Lớp anode có dòng điện ngược nhỏ và chịu gần
như toàn bộ điện áp ngược đặt lên Thyristor.

Gate

Líp Cathode
N

++ + + ++

Líp ®iÒu khiÓn

- - - - - - - - - - - - - - - P++++++++++++
Líp ch¾n

N

++++++++++++
---------------Líp Anode

P

Anode

Hình 1.25.

Lớp chắn càng dày càng chịu được điện áp ngược lớn, nhưng tần số chuyển mạch sẽ
giảm bởi vì điện tích tích luỹ khi dẫn sẽ nhiều hơn.
Thyristor 300A, 200V có lớp Silic đường kính 30mm, dày 0, 7mm
b. Sự hoạt động của Thyristor

19


a. Thyristor phân cực ngược

b. Thyristor phân cực ngược
c. Đặc tính Volt Ampe của
Thyristor (Gồm 4 đoạn).
- Đoạn 1: Trạng thái khoá của Thyristor.
Khi u tăng đến uch (u chuyển trạng thái) bắt
đầu quá trình tăng nhanh của dòng điện,
Thyristor chuyển sang trạng thái mở.

Hình 1.26.

Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện
ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor.
Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện.
Đoạn 4: Thyristor bị đặt áp ngược -> Thyristor bị chọc thủng ( do u tăng nên ing cũng
tăng lên).
c. Các thông số cơ bản của Thyristor
Các thông số cơ bản là những thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một Thyristor
cho một ứng dụng cụ thể nào đó.
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor Itb.
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của
cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế
dòng cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát cưỡng bức nhờ
quạt gió hoặc dùng nước để tải lượng nhiệt toả ra nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng
điện theo các điều kiện làm mát như sau:
Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép đến 1/3 dòng Itb.
Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng 2/3 dòng Itb.
Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Itb.
Điện áp ngược cho phép lớn nhất UngMax.
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng dụng
phải đảm bảo rằng tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anốt và catốt: uAk  ungMax phải được

chọn ít nhất bằng 1, 2  1, 5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.
Thời gian phục hồi tính chất khoá Thyristor tr (às). Đây là thời gian tối thiểu phải đặt
điện áp âm nên giữa anốt và catốt của Thyristor sau khi dòng anôt và catôt đã về không, trước
khi lại có thể có điện áp UAk dương mà Thyristor vẫn khoá nên tr là một thông số dất quan
trọng của Thyristor.
d. Đặc tính điều khiển
Đặc tính điều khiển cho quan hệ giữa điện áp UG theo dòng điện IG có dạng gần giống
như ở Diode.
20


Đối với các Thyristor có cùng một series, do sự phân tán của các đặc trưng trong các
miền P2 và N2, các đặc tính này tạo nên một miền giữa các giới hạn max và min của điện trở.

Hình 1.27. Đặc tính điều khiển của Thyristor

Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được kích mở chắc chắn.
Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại.
UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại
IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại
IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ
UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ
Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằng đoạn
thẳng:
UT = UO + r.iT
Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm.
Hệ số quá tải I2t của Thyristor được xác định giống như Diode và bằng

1 2
I T T trong

2

đó IT là dòng quá tải cực đại.
e.Các phương pháp kích mở
- Kích mở bằng cầu điện trở
Là phương pháp đơn giản nhất để mở một Thyristor. Sơ đồ được giới thiệu như sau:
Khi đặt điện áp lên hai cực anode và catode của Thyristor, qua cầu điện trở phân áp, sẽ
có một điện áp đặt lên cực cổng. Điện áp điều khiển được xác định bởi giá trị của các điện trở
trong mạch. Điện trở R1 được xác định bởi biểu thức. R1 = U/k.IG.
Trong đó U là điện áp nguồn, IG là dòng điện cực cổng yêu cầu. Thông thường điện trở R2 =
100-200, k = 1, 1 – 1, 2

Hình 1.28.

21


- Kích mở bằng cầu R-C
Sơ đồ kích mở bằng cầu RC được minh họa như hình vẽ. Khi đặt điện áp lên hai cực
anode và cathode của Thyristor, tụ điện C được nạp thông qua biến trở VR. Khi điện áp trên
tụ đủ lớn, nó sẽ phóng một xung điều khiển vào cực cổng của Thyristor làm cho Thyristor
mởcho dòng điện qua tải, muốn thay đổi góc mở của Thyristor điều chỉnh biến trở VR,
phương pháp này có thể thay đổi góc mở tối đa 180o điện.

Hình 1.29.
- Kích mở bằng cầu xoay chiều

Hình 1.30.

- Kích mở bằng vi mạch

Các phương pháp trên có ưu điểm là mạch phát xung đơn gian nhưng tiêu thụ công
suất lớn, không phù hợp cho hệ thống điều khiển tự động. Mạch kích mở bằng mạch phát
xung dễ dàng điều khiển thyristor công suất lớn một cách tự động. Các mạch phát xung điều
khiển sẽ được giới thiệu chi tiết ở phần sau.
- Khuếch đại thuật toán
- TCA780/785
f. Khoá Thyristor
Khi Thyristor đã dẫn điện, muốn tắt dòng điện IA cần phải giảm dòng điện tải nhỏ hơn
dòng điện duy trì IH hoặc đảo chiều điện áp đặt trên Thyristor. Khi làm việc với điện áp xoay
chiều, dòng điện IA tự tắt do điện áp phân cực ngược ở nửa chu kỳ thứ hai. Khi làm việc với
nguồn điện một chiều cần phải có một số phương pháp tắt dòng điện IA theo một số phương
pháp được trình bày dưới đây.

22


- Cắt dòng điện IA
Sử dụng một khóa cắt dòng điện đi qua Thyristor, sau đó lại đóng mạch trở lại. Đây là
phương pháp đơn giản nhất đòi hαi thời gian ngắt phải lớn hơn thời gian cắt toff của Thyristor.
Có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động.
b, Phương pháp đảo chiều cưỡng bức
Đảo chiều cưỡng bức là phương pháp làm giảm dòng điện IA nhỏ hơn dòng điện duy
trì IH. Tắt dòng điện cưỡng bức được chia làm nhiều lớp. Dưới đây là một số lớp tắt dòng
cưỡng bức.
Lớp A Tắt dòng bằng mạch cộng hưởng dòng điện. Sơ đồ như sau:
T
T
Lp
Lp
Rp

Cp

Rp

Cp

Hình 1.31.
Khi cho xung điều khiển đặt vào cực cổng để Thyristor dẫn dòng, nếu mạch LC thαa
mãn điều kiện cộng hưởng, dòng điện IA sẽ dao động. Nếu IAmin< IH Thyristor sẽ tắt dòng
Lớp B Tắt dòng bằng mạch cộng hưởng LC. Sơ đồ minh họa như sau:
T

L
C

Z

Hình 1.32.
Khi chưa có xung điều khiển, tụ điện C được nạp theo chiều như hình vẽ. Khi có xung
điều khiển, thyristor mở, dòng điện IA gồm hai thành phần: dòng điện tải It, và dòng phóng
của tụ iC. Nếu mạch đủ điều kiện cộng hưởng, dòng nạp ngược sẽ làm tắt thyristor.
Lớp C Sử dụng một cặp Thyristor mang tải phụ.

23


Hình 1.33.
Sơ đồ mạch gồm hai thyristor mang tải nối song song nhau, và một tụ điện nối giữa
hai cathode. Giả sử ở thời điểm ban đầu T1 dẫn điện, tụ điện được nạp theo chiều như hình vẽ.
Khi có xung điều khiển mở T2 tụ điện C phóng một dòng điện ngược qua T1 làm cho nó khóa

lại. Tụ C lại được nạp theo chiều ngược lại sẵn sang cho chu kỳ tiếp theo. Thông thường Z1 =
Z2 vì vậy T1và T2 được chọn giống nhau. Tụ C được gọi là tụ tắt dòng có điện dung được xác
định theo biểu thức:
C≥ 1, 44

.

Lớp D: Bao gồm hai loại. Loại thứ nhất tương tự như tắt dòng lớp C nhưng một trong
hai thyristor được dùng để tắt dòng có công suất nhỏ hơn nhiều lần Thyristor chính. Thông
thường dòng điện qua mạch tắt dòng chỉ bằng 1/10 dòng tải.
Loại thứ 2 có sơ đồ như hình vẽ hoạt động như sau: T2 được kích mở trước tụ điện C
được nạp có chiều như hình vẽ. T2 sẽ tắt khi dòng nạp cho tụ nhỏ hơn dòng duy trì của T1.
Khi T1 được kích mở tụ điện C sẽ phóng điện qua mạch điện cảm LC và diode DC. Nếu mạch
LC đủ điều kiện dao động, tụ C sẽ nạp theo chiều ngược lại. Khi cho xung mở T2 tụ điện C sẽ
phóng một dòng ngược làm T1 khóa lại.

Hình 1.34.
Lớp E Tắt dòng bằng một nguồn điện áp phụ. Lớp này sử dụng hai nguồn: Nguồn
chính là nguồn cấp cho dòng tải và một nguồn phụ để tắt dòng thyristor. Mạch tắt dòng lớp E
được cho như sau:

24


Hình 1.35.

Phần tử đóng tắt nguồn phụ là một transistor. Giả sử thyristor đang dẫn điện, muốn tắt
dòng ta chỉ việc cho một xung điện áp dương vào cực gốc để transistor Q mở. Nguồn áp phụ
sẽ cho một dòng ngược chạy qua Thyristor làm nó khóa lại.
g. Khả năng mang tải

Khả năng chịu áp và dòng cũng như khả năng quá tải được xem xét tương tự như
Diode. Điện thế ngược cực đại có thể lặp lại uRRM và điện thế khoá uDRM thường bằng nhau và
cho biết các giá trị điện áp lớn nhất tức thời cho phép xuất hiện trên Thyristor bởi vì điện thế
cực đại không lặp lại của Thyristor thường không được biết. Khả năng chịu áp của Thyristor
đạt đến hàng chục kV, thông thường ở mức từ 5-7kV dòng điện trung bình đạt đến khoảng
5000A. Độ sụt áp khi dẫn điện nằm trong khoảng từ 1, 5-3V. Phần lớn các Thyristor được làm
mát bằng không khí.
1.2.4. Triac (Triode Alternative Current)
a. Cấu tạo và ký hiệu của Triac

Hình 1.36.

Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện đi theo cả hai chiều. Vì vậy định nghĩa dòng
thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc
kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện để Triac
đóng điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh
kiện khác là bằng không.
Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng quia Triac. Triac sẽ ngắt theo
quy luật như đã giải thích đối với Thyristor.

25