Mùa hè thường nóng và sinh viên chúng ta hay sử dụng quạt khi ngủ và thường thì chúng ta ngủ và để nó tới sáng, mình thấy thế phí điện vô ích quá và gần sáng có khi lạnh làm mất giấc ngủ ngon
nữa, lúc sáng đi học cấu kiện điện tử thầy có nói đến phần điện tử công suất, giới thiệu cấu kiện Thyristor, trong đó có Triac nên nẩy sinh ý tưởng làm 1 chiếc ổ cắm thông minh để điều khiển chiếc quạt, mở rộng thêm thì các bạn có thể điều khiển đèn hay bất cứ thứ gì cần ngắt sau 1 thời gian khi cắm vào ổ cắm đó. Ngoài ra thì mình nghĩ sẽ có rất nhiều ứng dụng thực tế các bạn có thể áp dụng qua các kiến thức về Triac hay những con IC, VĐK để tạo thời gian mà mình có suy nghĩ sẽ sử dụng. Bài viết này sẽ được update theo tiến độ công việc của mình nên mong nhận được sự ủng hộ và góp ý của các bạn.
Phần đầu tiên mà mình làm đó là củng cố lại kiến thức về cấu kiện Thyristor nói chung và Triac nói riêng nhé.
Thyristor là tên chung để chỉ một họ các linh kiện đóng ngắt bán dẫn. Chúng có đặc tính chung là cho
dòng điện qua khi được kính dẫn và cản dòng điện khi chưa được kích dẫn. Khi được kích dẫn, Thyristor
chuyển sang trạng thái tổng trở thấp (giống như công tắt đóng) và giữ ở trạng thái này đến khi dòng điện
đi qua ở dưới mức nhỏ nhất nào đó gọi là mức giữ (holding level). Một khi đã được kích dẫn, Thyristor
sẽ không trở lại trạng thái ngừng dẫn dù mất dòng kích.
Những đặc tính trên làm cho Tryristor đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng điều khiển. So với công tắc
cơ, Thyristor có ưu điểm tuổi thọ dài, thời gian chuyển mạch ngắn. Thyristor được sử dụng nhiều trong
các mạch công suất về đóng ngắt thiết bị và bảo vệ quá tải. Một số lĩnh vực ứng dụng điển hình là: Điều
khiển động cơ, đèn điện, các thiết bị gia dụng, thiết bị văn phòng, bộ nguồn…
Hai linh kiện cơ bản trong họ Thyristor là SCR (Silicon Controlled Rectifiers) và TRIAC (Triode
Alternating Current). SCR dùng cho đóng ngắt tải một chiều trong khi TRIAC dùng cho đóng ngắt tải cả
hai chiều.
Về mặt thiết kế và sử dụng, cần đảm bảo Thyristor nằm trong giới hạn an toàn độ tăng áp (dv/dt) và tăng
dòng (di/dt). Ngoài ra cần phải có xung kích đủ lớn và đủ nhanh. Thông thường Thyristor cần dòng kích
tối thiểu 50% dòng chịu đựng tối đa của chân kích. Có nhiều mạch kích cho Tryristor như kích bằng
transistor, bằng cổng logic, bằng linh kiện cách li quang optocoupler …
1. Cấu tạo và kí hiệu:
Bảng liệt kê tên gọi và kí hiệu của một số loại Thyristor. Trong đó SCR là linh kiện điều khiển công suất
được dùng nhiều nhất. TRIAC thường dùng cho dòng điện xoay chiều AC với cường độ thấp (dưới
40A). DIAC, SUS và SBSs thì thường dùng làm linh kiện kích dẫn cho các linh kiện công suất.
Xét cấu tạo của SCR trên Hình 4.1(c), SCR là do 2 transistor BJT ghép lại: B1 nối với C2 và C1 nối với
B2. Nếu ban đầu cực cổng GATE được cấp một dòng điện đủ lớn IG, sẽ có dòng điện khuếch đại (do
BJT2) chạy từ Anode qua cực B1 đến C2 rồi ra Cathode. Dòng điện này là dòng IC2 = IB1 làm cho BJT1
khuếch đại dòng điện từ Anode đến C1 rồi B2 rồi ra Cathode IG + IC1 = IB2. Hai dòng điện trong một
vòng khép kín khuếch đại lẫn nhau và nhanh chóng đạt đến bão hòa. Khi đạt trạng thái dẫn bão hòa,
dòng kích IG ban đầu không còn cần thiết để duy trì trạng thái bão hòa của hai BJT.
cách ngắn mạch chân Anode và Cathode để dòng điện giảm về giá trị đủ nhỏ, gọi là dòng giữ (holding
current).
2.1. Đặc tính kích dẫn (Triggering characteristics)
Để kích dẫn Thyristor cần bơm dòng điện vào vòng khuếch đại khép kín. Dòng điện có thể được bơm
vào bằng 2 cách: Dòng điện đi vào chân Gate (cổng) hoặc đánh thủng lớp tiếp giáp P-N bên trong
TRIAC. Dòng điện cấp vào chân Gate tăng lên sẽ làm cho điện áp đánh thủng giảm như trên Hình 4.2.
ra có thể làm hỏng Thyristor. Cho nên bình thường SCR và TRIAC hoạt động dưới mức điện áp đánh
thủng và được kích dẫn bằng dòng điện cực cổng đủ lớn, bất chấp điện áp đặt vào linh kiện.
Về ảnh hưởng của nhiệt độ, nhiệt độ tăng làm đặc tính kích dẫn dễ xảy ra hơn. Nguyên nhân là do cực
cổng được xem như Diode (nối B-E của transistor): nhiệt độ tăng làm rơi áp qua diode giảm.
Về đặc tính kích dẫn bằng xung dòng điện, độ rộng xung kích giảm thì độ lớn xung kích phải càng lớn
để đảm bảo kích dẫn. Đồ thị cho thấy quan hệ giữa độ lớn và động rộng xung kích.
2.2. Đặc tính chuyển mạch (Switching characteristics)
Kích dẫn: Ban đầu kích dẫn Thyristor, điện áp thuận (MT1-MT2) qua thyristor giảm xuống VF nào đó
(giá trị nhỏ), và dòng điện qua thyristor tăng dần (Hình 4.3(a)). Quá trình này tổn hao công suất và
thyristor phát nhiệt. Để giới hạn nhiệt lượng phát ra quá nhanh1
có thể gây hỏng thyristor, tốc độ tăng
của dòng điện cần phải giới hạn (giá trị di/dt cho trong datasheet).
ngược qua Thyristor giống như Diode. Thời gian chịu dòng ngược tq của Thyristor loại thường khoảng
100uS đến 500uS. Thyristor loại nhanh khoảng 10uS đến 100uS.
2.3. Kích dẫn không mong muốn – False triggering
Kích dẫn không mong muốn là hiện tượng Thyristor bị kích dẫn khi không có tin hiệu điều khiển kích ở
cực cổng. Các nguyên nhân dẫn đến kích dẫn không mong muốn là:
- Độ tăng áp dv/dt đặt vào Thyristor lớn: Điện áp đột ngột đặt vào Thyristor trong trạng thái tắt sẽ
làm cho Thyristor trở lại trạng thái mở. Nguyên nhân là do có tụ điện kí sinh bên trong Thyristor: Khi
đột ngột đặt điện áp lớn vào Thyristor, dòng điện sinh ra tụ điện nạp Ic = dQ/dt = Cdv/dt sẽ kích dẫn
Thyristor. Để hạn chế dv/dt trong giới hạn cho phép, người ta dùng mạch RC snubber.
- Điện áp thay đổi (transient voltage): Điện áp thay đổi có thể là điện áp nhiễu do nhiều nguyên nhân
khác nhau. Điện áp nhiễu này vượt quá giá trị giới hạn áp đóng VBR sẽ làm kích đóng Thyristor.
- Nhiễu chân cổng Gate: Trong một số trường hợp kích dẫn không mong muốn do nhiễu từ chân điều
khiển. Để hạn chế nhiễu này, ta có thể nối đất cho thiết bị hoặc gắn một tụ điện từ 0.01 đến 0.1uF từ
chân Gate đến chân Cathode để lọc nhiễu. Ngoài ra, tụ điện lọc nhiễu cũng giúp tăng khả năng chịu
đựng dv/dt của Thyristor.
2.4. Đặc tính hoạt động của SCR:
TRIAC có khả năng dẫn điện theo 2 chiều cho nên thường được xem như 2 SCR ghép song song ngược
chiều. Trên Hình 4.5 là kí hiệu của TRIAC và đặc tính hoạt động của TRIAC. Các miền kích dẫn của
TRIAC được cho trên Hình 4.5(c). Miền I nhạy kích dẫn nhất và miền IV là kém nhạy kích dẫn nhất.
- Không bị hiện tượng dội công tắc hay phóng điện do tiếp điểm cơ
- Khả năng đóng ngắt nhanh so với công tắc cơ như relay.
- Có thể kích dẫn bằng nhiều nguồn khác nhau: AC, DC, xung …
3. Mạch kích Thyristors:
Nhìn chung, để kích dẫn Thyristor, mạch kích cần phải cung cấp đủ năng lượng vào chân kích. Có rất nhiều cách để thực hiện kích dẫn nhưng nhìn chung các mạch kích cần dòng điện đủ lớn và nhanh để đảm bảo
kích dẫn hoàn toàn, tối thiểu hóa ảnh hưởng di/dt. Thông thường mạch kích cần cung cấp cường độ dòng điện lớn gấp 3 lần cường độ tối thiểu cần kích dẫn với sườn xung kích dưới 1us, độ rộng xung kích lớn
hơn 10 us. Hình 4.6 biểu thị mối quan hệ giữa độ rộng xung và cường độ dòng điện kích cần thiết cho một Thyristor. Để tính toán dòng kích dẫn, cần xét 2 yếu tố: Dòng kích IGT và điện áp kích VGT như trên Hình 4.4. Điểm kích dẫn (IGT,VGT) phải nằm trong miền kích dẫn là miền giới hạn bởi các đường. Lưu ý là hai thông số dòng và áp này có hệ số ảnh hưởng nhiệt âm, nghĩa là nhiệt độ tăng thì thì dòng IGT và áp VGT giảm. Cho nên khi tính toán, cần xét IG và VGT ở nhiệt độ thấp nhất (250C). Ngoài ra, để đảm bảo hyristor không dẫn, cần đảm bảo VGT ≤ 0.4V
Kích trực tiếp bằng chân TTL ngõ ra cột-chạm(1)
Cấu trúc chân TTL ngõ ra cột chạm như Hình 4.8(a), nguyên lý hoạt động như một mạch khuếch đại đảo
kênh AB: Khi tín hiệu Vin mức logic [1] thì ngõ ra mức logic [0] và ngược lại.
trực tiếp cho Thyristor (Hình 4.9), lưu ý cần phải thêm điện trở để hạn dòng, tăng dòng cho chân TTL
Cấu trúc chân ngõ ra cực thu để hở như (b). Để sử dụng chân ngõ ra cực thu để hở, cần gắn thêm điện
trở treo (lên hoặc xuống). Các mạch kích trực tiếp như Hình 4.10Error! Reference source not found..
Tính toán và thông số ngõ ra tương tự như kiểu TTL ngõ ra cột chạm
Kích Thyristor sử dụng transistor đệm dòng:
Khi kích Thyristor cần dòng kích lớn vượt quá đáp ứng của chân TTL, ta cần “đệm dòng” bằng một
hoặc nhiều transistor. Những mạch sau minh họa một số cách kích Thyristor sử dụng transistor.
khi Q1 dẫn
Điện trở R2 kích Q1 dẫn. Giá trị R2 cần giới hạn sao cho dòng IB của Q1 không vượt quá giá trị cực đại
IBMAX
Để cách ly điện giữa phần tử điều khiển và phần tử công suất, ta sử dụng Opto quang như Hình 4.13
Photo triac kích chân G của Triac công suất. Điện trở R giới hạn dòng kích.
Kích Thyristor sử dụng biến áp cách ly
Chân ngõ ra vi điều khiển thường tương thích chuẩn TTL nên về cơ bản giao tiếp giao tiếp VĐK với
Thyristor là giao tiếp TTL với Thyristor. Tuy nhiên VĐK cần cách ly để đảm bảo chống nhiễu tốt.
Bạn có đam mê ngành thiết kế vi mạch và bạn muốn có mức lương 1000 usd cùng lúc bạn
đang muốn tìm một Trung tâm để học vậy hãy đến với ngành vi mạch tại SEMICON
HotLine: 0972 800 931 Ms Duyên
