Thyristor là gì? Cấu tạo, phân loại và Nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng trong mạch điện tử

Thyristor hay còn gọi là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển), là một thành phần quan trọng trong lĩnh vực điện tử. Được biết đến với khả năng điều khiển dòng điện một cách chính xác, thyristor đã trở thành một công cụ quan trọng trong các mạch điện và thiết bị điện tử hiện đại. Để hiểu rõ hơn về loại linh kiện điện tử này mời các bạn cùng Điện Tử Số Sáng Tạo VN tìm hiểu chi tiết trong bài viết này.

Thyristor là gì?

Thyristor, hay còn được gọi là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển), là một thành phần chính trong lĩnh vực điện tử. Đây là một phần tử bán dẫn, cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn, và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử.

Chức năng chính của Thyristor là kiểm soát và chuyển đổi dòng điện một cách chính xác. Cấu trúc của nó bao gồm ba cực chính: anode (A), cathode (K), và cực điều khiển (G). Thyristor hoạt động như một công tắc điện tử có thể được điều khiển, chỉ cho phép dòng điện chuyển từ anode sang cathode khi có một điện kích thích từ cực điều khiển.

Phát triển từ những năm 1950, Thyristor đã trở thành một thành phần quan trọng, thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng mạch điện và thiết bị điện tử hiện đại. Khả năng kiểm soát và ổn định dòng điện làm cho Thyristor đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điện tử.

Lịch sử phát triển của Thyristor

Thyristor, hay còn được biết đến với tên gọi Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển), có một hành trình lịch sử ấn tượng, phản ánh sự tiến bộ trong lĩnh vực điện tử và công nghệ. Dưới đây là cái nhìn tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của Thyristor:

Đề Xuất Ban Đầu (1950): Thyristor được đề xuất vào những năm 1950 bởi William Shockley và được bảo vệ bởi Moll cùng với một số nghiên cứu viên khác tại phòng thí nghiệm Bell ở Hoa Kỳ. Ý tưởng này là một bước quan trọng trong việc phát triển các thành phần điện tử có khả năng kiểm soát dòng điện.

Phát Triển Đầu Tiên (1957): Sự phát triển đầu tiên của Thyristor xảy ra vào năm 1957, do các kỹ sư năng lượng của General Electric (G.E) dưới sự lãnh đạo của Gordon Hall. Điều này đánh dấu bước quan trọng, khi Thyristor trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử.

Thương Mại Hóa (1957): Frank W. “Bill” Gutzwiller của General Electric chịu trách nhiệm thương mại hóa Thyristor trong cùng năm 1957. Việc này làm cho Thyristor trở nên khả dụng rộng rãi cho các ứng dụng công nghiệp và ứng dụng trong nhiều công nghệ khác nhau.

Sự Phát Triển Liên Tục: Từ đó, Thyristor không ngừng phát triển và được tích hợp vào nhiều mạch điện và thiết bị điện tử. Công nghệ này không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát dòng điện mà còn đóng góp vào sự hiệu quả và ổn định của hệ thống điện tử hiện đại.

Ứng Dụng Đa Dạng: Thyristor ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ điều khiển điện áp đến các ứng dụng phức tạp trong các ngành công nghiệp khác nhau. Đó là một phần quan trọng của cơ sở hạ tầng điện tử đương đại.

Cấu tạo của Thyristor

Thyristor được tạo thành từ bốn lớp bán dẫn, thường được biểu thị như P-N-P-N. Ba lớp tiếp giáp P-N tạo thành các khu vực P-N-P, được ký hiệu là J1, J2, J3. Bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

• A : anode : Đây là cực nơi dòng điện vào.
• K : Cathode : Đây là cực nơi dòng điện ra.
• G : Gate : Cực này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động của thyristor.

Thyristor, hay Chỉnh lưu silic có điều khiển, không chỉ đơn giản là một diode, mà là một thành phần đặc biệt được hình thành từ sự kết hợp của hai transistor với chiều đối nghịch. Sự kết hợp này bao gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP, tạo ra cấu trúc P-N-P-N đặc trưng của Thyristor.

Đặc điểm nổi bật của Thyristor là khả năng điều khiển dòng điện. Khi được cấp điện, nó tự động mở ra và cho phép dòng điện chuyển từ anode sang cathode. Điều khiển được thực hiện thông qua cực điều khiển, nơi mà điện kích thích sẽ mở ra hay đóng lại Thyristor.

Điều đặc biệt là khi không còn điện kích thích, Thyristor tự động ngắt và trở về trạng thái ngưng dẫn. Điều này làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng cho các ứng dụng chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

Thyristor không chỉ đóng vai trò là một diode kiểm soát hướng dòng điện mà còn mang lại sự linh hoạt và khả năng tự động hoạt động trong mạch điện. Với cấu trúc đặc biệt và khả năng điều khiển chính xác, Thyristor đóng góp vào sự hiệu quả và ổn định của các hệ thống điện tử hiện đại.

Nguyên lý hoạt động của Thyristor

Trường hợp cực G để hở hay VG = OV

Khi cực G và VG  = OV có nghĩa là transistor T1 không 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 dòng điện IG chính là IB1  làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2 nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và IC2 = IB1.

Nhờ đó mà Thyristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn  mà không cần có dòng 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 hòa. 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.

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 dòng 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.

Các thông số kỹ thuật của Thyristor

Dòng Điện Thuận Cực Đại: Đây là giá trị lớn nhất của dòng điện mà Thyristor có thể chịu đựng liên tục mà không bị hư. Dòng điện thuận qua có thể tính bằng công thức khi Thyristor đã dẫn điện, và giá trị này thường được giới hạn để bảo vệ linh kiện.

Điện Áp Ngược Cực Đại: Là điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor có thể chịu đựng trước khi bị đánh thủng. Thường nằm trong khoảng 100V đến 1000V, và việc giữ điện áp dưới mức này là quan trọng để tránh hỏng hóc Thyristor.

Dòng Điện Kích Cực Tiểu (IGmin): IGmin là giá trị dòng kích nhỏ nhất cần thiết để Thyristor chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn điện. Giá trị này phụ thuộc vào công suất của Thyristor, thường nằm trong khoảng từ 1mA đến vài chục mA.

Thời Gian Mở Thyristor: Là thời gian cần thiết để Thyristor chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Thời gian mở có thể kéo dài vài micro giây và quan trọng để xác định tốc độ hoạt động của Thyristor.

Thời Gian Tắt: Thyristor tự duy trì trạng thái dẫn sau khi được kích. Để tắt Thyristor, cần cho IG = 0 và VAK = 0. Thời gian tắt của Thyristor khoảng vài chục micro giây và ảnh hưởng đến việc kiểm soát dòng điện trong mạch điều khiển.

Những đặc điểm và thông số này giúp định rõ khả năng và giới hạn của Thyristor trong các ứng dụng điện tử và mạch điều khiển.

Các ưu nhược điểm khi sử dụng thyristor

Ưu Điểm:

1. Hiệu Suất Cao: Thyristor có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giúp tối ưu hóa sự hoạt động của các hệ thống điện tử.

2. Ổn Định và Tin Cậy: Trong các ứng dụng chỉnh lưu và điều khiển, Thyristor đảm bảo sự ổn định và tin cậy cao, giảm rủi ro lỗi và giữ cho hệ thống hoạt động mượt mà.

3. Kiểm Soát Dòng Điện: Thyristor cung cấp khả năng kiểm soát chính xác dòng điện, làm cho nó phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác.

4. Ứng Dụng Rộng Rãi: Có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp điện tử đến hệ thống điều khiển công nghiệp.

5. Khả Năng Điều Khiển Tốt: Thyristor có khả năng điều khiển tốt trong việc chuyển đổi dòng điện và giữ vững trạng thái dẫn.

Nhược Điểm:

1. Thời Gian Tắt: Thời gian tắt của Thyristor có thể kéo dài và ảnh hưởng đến khả năng kiểm soát của nó trong một số ứng dụng.

2. Tiêu Thụ Năng Lượng: Trong quá trình hoạt động, Thyristor có thể tiêu thụ một lượng năng lượng nhất định, góp phần vào tổn thất năng lượng.

3. Giảm Độ Chính Xác ở Tần Số Cao: Ở tần số cao, Thyristor có thể gặp khó khăn trong việc duy trì sự chính xác và hiệu suất.

4. Phức Tạp Trong Kiểm Soát Điện Áp Biến Đổi: Trong một số ứng dụng yêu cầu biến đổi điện áp, Thyristor có thể phức tạp và đòi hỏi kiến thức chuyên sâu để thiết lập và kiểm soát.

5. Giá Thành: Một số loại Thyristor chất lượng cao có giá thành khá cao, làm tăng chi phí cho các dự án sử dụng nhiều linh kiện này.

Đặc tuyến của Thyristor

Đặc tuyến của Thyristor, đặc biệt là khi IG = 0 và IG2 > IG1 > IG, mô tả mối quan hệ giữa dòng điện kích (IG) và các trạng thái khác nhau của linh kiện:

Trạng Thái Ngưng Dẫn (IG = 0):

• Khi không có dòng điện kích (IG = 0), Thyristor ở trạng thái ngưng dẫn.
• Đặc tuyến ở trạng thái này là một đoạn thẳng đứng từ gốc tọa độ, biểu thị rằng không có dòng điện chảy qua Thyristor.

Trạng Thái Bắt Đầu Dẫn (IG1):

• Khi dòng điện kích (IG1) được áp dụng, đặc tuyến bắt đầu cong và dòng điện bắt đầu chảy từ anode đến cathode.
• Điểm bắt đầu dẫn xảy ra khi IG1 đạt đến mức nào đó, đưa Thyristor từ trạng thái ngưng dẫn sang trạng thái dẫn điện.

Dòng Điện Duy Trì (IG2 > IG1):

• Sau khi bắt đầu dẫn, dòng điện duy trì (IH) được thiết lập khi IG2 > IG1.
• Đặc tuyến ở mức này là một đoạn thẳng nghiêng, biểu thị sự duy trì của Thyristor ở trạng thái dẫn với dòng điện duy trì là IH.

Đặc tuyến của Thyristor với sự biến đổi của dòng điện kích IG cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách linh kiện này phản ứng và hoạt động trong các điều kiện khác nhau, quan trọng để hiểu để có thể kiểm soát và ứng dụng Thyristor một cách chính xác trong mạch điện.

Phân loại Thyristor

Thyristor, hay Chỉnh lưu silic có điều khiển, được phân loại dựa trên nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cấu trúc, chức năng và ứng dụng. Dưới đây là mô tả về các loại chính của Thyristor:

Theo Cấu Trúc:

• SCR (Silicon Controlled Rectifier):
  • Là dạng phổ biến nhất của Thyristor, có ba cực chính: anode (A), cathode (K), và cực điều khiển (G).
  • Chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chỉnh lưu và điều khiển mạch điện.
• GTO (Gate Turn-Off Thyristor):
  • Tương tự như SCR, nhưng có khả năng tắt điện từ cực điều khiển (G).
  • Cho phép kiểm soát tắt và mở linh hoạt hơn, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển chính xác.
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):
  • Kết hợp tính năng của Thyristor và transistor, với khả năng kiểm soát và chuyển đổi cao.
  • Phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường điều khiển.

Theo Dạng Kích Thích:

• Unidirectional Thyristor:
  • Chỉ dẫn dòng điện theo một hướng từ anode đến cathode.
  • Thích hợp cho các ứng dụng chỉnh lưu.
• Bidirectional Thyristor:
  • Dẫn dòng điện cả hai chiều, từ anode đến cathode và ngược lại.
  • Sử dụng trong các mạch chuyển đổi hai chiều.

Theo Công Suất và Ứng Dụng:

• High Power Thyristor:
  • Thiết kế để xử lý công suất cao và dòng điện lớn.
  • Sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và nguồn điện lớn.
• Low Power Thyristor:
  • Dành cho các ứng dụng yêu cầu công suất và dòng điện thấp.
  • Phổ biến trong các thiết bị điện tử nhỏ và mạch điện gia đình.

Phân loại Thyristor dựa trên các đặc tính trên giúp người kỹ sư và thiết kế mạch lựa chọn linh kiện phù hợp cho các ứng dụng cụ thể của họ.

Ứng dụng của Thyristor trong mạch điện động cơ

Trong mạch điện của động cơ vạn năng M, một ứng dụng sáng tạo của Thyristor đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và điều chỉnh dòng điện điều khiển cực G của động cơ. Dưới đây là mô tả chi tiết về cách mạch điện này hoạt động:

Loại Động Cơ Vạn Năng:

• Động cơ M được thiết kế để hoạt động với cả điện áp xoay chiều (AC) và điện áp một chiều (DC), làm cho nó trở thành động cơ vạn năng linh hoạt.

Điều Chỉnh Dòng Điện qua Động Cơ:

• Dòng điện qua động cơ được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh góc kích của dòng điều khiển IG.
• Thyristor đảm bảo việc điều chỉnh này có thể được thực hiện một cách chính xác và linh hoạt.

Thiết Lập Ban Kỳ Dương:

• Khi Thyristor chưa dẫn, không có dòng điện chảy qua động cơ. Diode D chống lại điện áp bán kỳ âm, và điện áp nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở VR.

Thời Gian Nạp Tụ C:

• Tụ C nạp điện qua R1 và VR với hằng số thời gian T = (R1 + VR)C.
• Thay đổi trị số VR ảnh hưởng đến thời điểm có dòng xung kích IG, kiểm soát thời điểm dẫn điện của Thyristor và do đó, điều chỉnh tốc độ của động cơ.

Kiểm Soát Dòng AC Bán Kỳ Âm:

• Khi dòng AC có bán kỳ âm, cả diode D và Thyristor đều bị phân cực nghịch, ngăn chặn chúng từ việc dẫn điện.
• Điều này giữ cho mạch điện an toàn và ổn định trong các điều kiện áp dụng khác nhau.

Mạch điện này sử dụng Thyristor và các thành phần khác một cách sáng tạo để đảm bảo kiểm soát linh hoạt và hiệu suất ổn định của động cơ vạn năng M trong môi trường AC và DC.