Bài giảng Khí cụ điện tử

Khí cụ điện tử*TS. Leâ Ngoïc BíchKhoa Cô KhíBoä moân Cô Ñieän TöûTransistor BJT công suấtTransistor BJT công suất Transistor công suất là linh kiện bán dẫn được điều khiển đóng và điều khiển ngắt. Transistor công suất hoạt động ở vùng bão hòa vì vậy có điện áp khi đóng nhỏ, giống như khóa đóng ngắt. Tần số đóng ngắt của Transistor công suất lớn hơn gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và dòng điện định mức của một số transistor công suất nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy có ứng dụng trong các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ. Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với diode ngược để có thể cho dòng điện chạy cả hai chiềuTransistor BJT công suấtBJT có cấu trúc gồm 3 lớp dạng N-P-N hoặc P-N-P. Tuy nhiên dạng N-P-N được sử dụng nhiều hơn vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện. BJT có hai lớp tiếp xúc p-n: Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ). Lớp tiếp xúc BEJ phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng Base, Lớp tiếp xúc CBJ phân cực theo chiều nghịch để thu điện tử về vùng Collector. BJT có 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và Base (B) và được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện IB thông qua cực B và E. Mạch công suất nối giữa 2 cực C và E. Transistor BJT công suấtCấu tạo và nguyên lý hoạt động: Loại NPN (tín hiệu kích dương) Transistor BJT công suấtLoại PNP (tín hiệu kích âm)Transistor BJT công suấtActive -Vùng tích cực hay vùng tuyến tính: là vùng mà transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại tín hiệu, tương ứng với các giá trị làm việc UCE> UCESAT và dòng IC>ICO. 	IC=hFE.IBTrongđó: hFE là hệ số khuếch đại dòngđiện Transistor BJT công suấtMột số tính chất của BJTở chế độ tuyến tính: Dòng điện IC tỷ lệ với dòng IB. Dòng IC hầu như không phụ thuộc vào điện áp trên Collector. Điện áp trên Base không phụ thuộc vào điện áp trên Collector và hầu như không phụ thuộc vào dòng IB. Transistor BJT công suấtb. Saturation -Vùng bão hòa: Dòngđiện Base IB khá lớn với điện áp VCE nhỏ mà BJT hoạt m động như một khóa. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực thuận Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ). Để chuyển chế đột uyến tính sang chế độ bão hòa cần phải tăng giá trị dòng IB cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đó lớp tiếp xúc C-B phân cực thuận.Ở chế độ bão hòa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT có thể thay thế bằng khóa đóng với điện áp rơi nhỏ. Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng, dòng IC dẫn và điện thế UCE= UCESAT =1-2 V. BJT có thể thay thế bằng khóa đóng ngắt với điện áp rơi nhỏ. Do dòng điện IB>IB_SAT, dòng điện qua collector IC hầu như không thay đổi. Điều kiện bão hòa của BJT l UCB=UCE-UBE=0.Độ bõa hòa đạt được khi thỏa mãn điều kiện UBE>0.Trong chế độ bão hòa dòng điện IB bao giờ cũng có giá trị lớn hơn dòng điện cần thiết để tạo dòng IC so với chế độ tuyến tính. Điều kiện UBE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nó đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa. Transistor BJT công suấtCutoff - Vùng nghịch: Đặc tính ra với thông số iB = 0 nằm trong vùng này. Transistor ở chế độ ngắt. Dòng Base không đủ lớn để đóng BJT. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực ngượcTổn hao công suất trong BJT: Transistor BJT công suấtMạnh Darlinton: Các transistor công suất lớn có hệ số hFE chỉ khoảng 10- 20. Do đó, để giảm bớt dòng kích IB, tức tăng hFE có thể ghép nối tiếp các transistor công suất theo cấu hình Darlington. Bất lợi của cấu hình Darlington là độ sụt áp UCE bị tăng lên và tần số đóng ngắt bị giảm.Transistor BJT công suấtCác thông số cơ bản BJT a.Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn và xác định bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter UCEOM khi IB = 0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base b UEBOM khi IC = 0. b. Dòng điện định mức: giá trị cực đại của dòng collector ICM, dòng emitter IEM và dòng kích IBM. Đó là các giá trị cực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bão hòa. Khi thiết lập chúng, ta xét đ ế n ảnh hưởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện cực và các giá trị hFESAT và UCESAT. c. Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của transistor không được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ cho phép TM(TM =1500C). Vì thế, cần làm mát transistor và toàn bộ công suất tổn hao phải nhỏ hơn PM. Giá trị PM phụ thuộc vào phương pháp làm mát và nhiệt độ môi trường. Transistor BJT công suấtd. Một số tính chất và thông số BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng dòng điện Base IB. Nếu muốn điều khiển dòng tải (IC) lớn cần phải tăng dòng điện IB, làm cho tổn hao công suất và nhiệt độ linh kiện tăng.-Không có khả năng khoá áp ngược.-Điện áp định mức đến 1500V.-Dòng điện định mức đ ến 400A.-Tần số định mức 10 kHz.-Điện áp VBE 1- 2V-Hệ số khuếch đ ại dòng hFE=15 đến 100. Dòng điều khiển IB đến 10A và lớn hơn dòng điều khiển của ThyristorCác trạng thái đóng ngắt. UCE>0, IB>IBmin : BJT đóng IB 0Xung điều khiển đưa vào cực điều khiển.Điều kiện để đóng ThyristorĐặt điện áp ngược lên A – KSCR Đặt tính volt-amperThyristor lý tưởng:Ba trạng thái: đóng – mở – khóaSCR Thyristor thực tế:SCR -Nhánh thuận : UAK>0 và IG>0, Thyristor dẫn tương ứng với giá trị khác nhau của điện áp UAK mà dòngđiều khiển IG có những gía trị khác nhau. Thyristor có thể dẫn với IG =0 khi điện áp UAK có giá trị khá lớn. Mạch tươngđ ương của SCR gồm 2 Transistor mắcđối Collector và Base với nhau xung IG làm 2 Transistor nhanh chóng dẫn bão hoà. -Nhánh nghịch khi UAKIG1>IG0→ VB02<UB01<UB0. - IL (L- Latching) - Dòng chốt : Khi dòng thuận qua SCR IF lớn hơn giá trị dòng chốt IL mới có thể tắt xung điều khiển- IH (H – Holding)- Dòng duy trì : trong quá trình dòng thuận SCR IF thấp hơn dòng duy trì IH thì SCR tự động chuyển sang trạng thái ngắt- VBR – Áp đánh thủng SCR.SCR Các thông số cơ bản của SCR - Sau khi thyristor dẫn cực điều khiển mất tính chất điều khiển vì thế không thể sử dụng nó đ ể ngắt Thyristor. Thyristor có thể tự ngắt khi dòng điện qua nó nhỏ hơn dòng điện duy trì. Đối với Thyristor lý tưởng thì dòng duy trì bằng 0. Tuy nhiên đối với Thyristor thực tế thì giá trị này khác 0. - Dùng cho mạch công suất lớn - Mạch điều khiển đ ược nối giữa cực G-K. Mạch công suất đ ược nối giữa cực A-K - Linh kiện điều khiển bằng dòng IG kích đóng cho SCR - Không có khả năng kích ngắt, SCR chỉ bị ngắt khi dòng qua nó nhỏ hơn dòng duy trì. - Áp đ ịnh mức SCR vài kV, dòng đ ịnh mức vài kA - Tín hiệu điều khiển là dòng điện, dòng điều khiển nhỏ hơn dòng điều khiển của BJT SCRCác trạng thái của SCR: SCR có 3 trạng thái: - Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode âm so với cực cathode.- Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode.- Trạng thái dẫn.SCRMạch bảo vệ - Nếu dU/dt quá lớn dẫnđến SCR dẫn ngoài ý muốn. Vì thế người ta giới han tốc độ thay đổi điện áp khoá trong khoảng 10-100 V/ μs- Nếu dIf/dt lớn quá sẽ làm tiết diện SCR bị quá tải ở chỗ nối với cổng làm hỏng SCR .Vì thế người ta giới hạn độ tăng của dòng thuận trong khoảng 10-100A/μsSCRHình dạng thực tế thường gặp:Triac Triac Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: -TRIAC được cấu tạo bởi hai Thyristor mắc đối song song. Do đó linh kiện dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ. Triac Ký hiệu và sơ đồ kết nối: Triac Đặc tính Volt-Amper TRIAC -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC vẽ theo chiều quy ước của cực T1. -Đặc tính Volt-Amper của TRIAC có tính đối xứng Triac Các thông số và tính chất cơ bản TRIAC - Khái niệm Anode và Cathode không có ý nghĩa đối với TRIAC, ta đánh số T1 là cực gần cực điều khiển G. - TRIAC chỉ bị khoá khi IG=0 và điện áp đặt nhỏ hơn áp ngưỡng. -Ưu điểm cơ bản của TRIAC là mạch điều khiển đơn giản. Nhưng công suất giới hạn không cao và nhỏ hơn Thyristor. -TRIAC tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều. Thank You !