SCR (Silicon Controlled Rectifier – Chỉnh lưu có điều khiển silic) là một linh kiện bán dẫn được điều khiển theo dòng điện có 4 lớp bán dẫn. Tên “Silicon Controlled Rectifier” là tên thương mại của General Electric cho một loại thyristor.
SCR chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện tử đòi hỏi phải điều khiển điện áp và công suất cao. Điều này làm cho chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng công suất xoay chiều trung bình và lớn chẳng hạn như điều khiển động cơ.
SCR là một linh kiện bán dẫn nhiều lớp, do đó, silicon là một phần trong tên gọi của nó. Linh kiện này đòi hỏi một tín hiệu tại cực cổng (Gate) để làm cho nó dẫn điện, “controlled -được điều khiển” là phần thứ hai trong tên gọi và một khi đã dẫn điện, nó hoạt động giống như một diode chỉnh lưu, “rectifier – mạch chỉnh lưu” là phần thứ 3 trong tên gọi. Trong thực tế, ký hiệu mạch cho thyristor cho thấy thiết bị này hoạt động giống như một diode chỉnh lưu có điều khiển.
Ký hiệu và hình dạng
SCR không giống như diode chỉnh lưu là một linh kiện hai lớp bán dẫn (P-N) hoặc transistor lưỡng cực thường được sử dụng là một linh kiện chuyển mạch ba lớp (P-N-P hoặc N-P-N), thyristor có cấu tạo gồm bốn lớp bán dẫn (P-N-P-N) ghép xen kẽ trong đó có ba mối nối PN nối tiếp và được biểu thị bằng ký hiệu như hình trên.
Giống như diode, thyristor là một linh kiện đơn hướng, nghĩa là nó sẽ chỉ dẫn dòng điện theo một hướng duy nhất, nhưng không giống như một diode, thyristor có thể được chế tạo để hoạt động như một công tắc mạch hở hoặc như một diode chỉnh lưu tùy thuộc vào cách thức cực G của thyristor được kích hoạt. Nói cách khác, thyristor chỉ có thể hoạt động ở chế độ chuyển mạch và không thể được sử dụng để khuếch đại.
Silicon controlled rectifier (SCR) là một trong số các thiết bị bán dẫn công suất cùng với TRIAC, DIAC và UJT (Transistor đơn mối nối) đều có khả năng hoạt động như các công tắc xoay chiều bán dẫn rất nhanh để điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều lớn. Vì vậy, các linh kiện bán dẫn rất tiện dụng này được các sinh viên điện tử sử dụng để điều khiển động cơ AC, đèn và điều khiển pha.
Thyristor là một linh kiện có 3 cực đó là: A (Anode), K (Cathode) và G (Gate) và bao gồm ba mối nối PN có thể được chuyển trạng thái tắt và dẫn với tốc độ cực nhanh hoặc có thể được kích dẫn với các khoảng thời gian khác nhau trong nửa chu kỳ để cung cấp một lượng công suất được chọn cho một tải. Hoạt động của thyristor có thể được giải thích tốt nhất bằng cách giả sử nó được tạo thành từ hai transistor được kết nối ngược lại như một cặp công tắc tái sinh bổ sung như hình bên dưới.
Mạch tương đương của thyristor
SCR có thể xem như tương đương hai transistor BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại như hình sau:
Mạch tương đương hai transistor cho thấy dòng IC của transistor NPN TR2 nối vào cực B của transistor PNP TR1, trong khi dòng IC của TR1 nối với cực B của TR2. Hai transistor được kết nối với nhau này dựa vào nhau để dẫn điện vì mỗi transistor lấy dòng IB từ dòng IC của transistor còn lại. Vì vậy, cho đến khi một trong các transistor được cấp dòng IB thì không có gì có thể xảy ra ngay cả khi có điện áp VAK (điện áp giữa cực Anode và cực Cathode).
Khi điện thế tại cực Anode của thyristor âm hơn so với cực Cathode, mối nối N-P ở giữa được phân cực thuận, nhưng hai mối nối P-N bên ngoài bị phân cực ngược, lúc này thyristor hoạt động rất giống với một diode thông thường. Do đó, thyristor chặn dòng điện ngược cho đến khi ở một mức điện áp cao, điểm điện áp đánh thủng của hai mối nối bên ngoài bị vượt quá và thyristor dẫn điện mà không cần tín hiệu cực G.
Đây là một đặc tính tiêu cực quan trọng của thyristor, vì thyristor có thể vô tình được kích dẫn bởi qúa điện áp ngược cũng như nhiệt độ cao hoặc điện áp dv/dt tăng nhanh chẳng hạn như một xung áp.
Nếu điện thế tại cực Anode dương hơn so với điện thế tại cực Cathode, hai mối nối P-N bên ngoài bây giờ được phân cực thuận còn mối nối N-P ở giữa bị phân cực ngược. Dòng điện thuận cũng chưa xuất hiện. Nếu một dòng điện dương được đưa vào cực B của transistor NPN TR2 thì sẽ tạo ra dòng IC, dòng điện này cũng chính là dòng điện IB của transistor TR1. Điều này có nghĩa là sẽ có một dòng IC chảy qua transistor PNP TR1. Khi TR1 dẫn sẽ cấp dòng IB cho TR2, v.v.
Hai transistor nhanh chóng tiến đến trạng thái dẫn bão hòa khi chúng được kết nối trong theo một vòng phản hồi tái tạo không thể dừng lại. Sau khi được kích dẫn, dòng điện chạy qua linh kiện giữa cực Anode và cực Cathode chỉ bị giới hạn bởi điện trở của mạch ngoài vì điện trở thuận của linh kiện khi dẫn có thể rất thấp dưới 1Ω nên rơi áp trên linh kiện và tổn thất công suất không đáng kể.
Đến đây, chúng ta có thể thấy rằng một thyristor không cho phép dòng điện đi qua nó theo cả hai chiều của nguồn điện AC khi nó ở trạng thái tắt và có thể được chuyển sang trạng thái dẫn và được chế tạo như một diode chỉnh lưu bình thường bằng cách cung cấp dòng điện dương vào B của transistor TR2.
Các đường cong đặc tính Volt-Ampere cho thấy hoạt động của SCR được cho thấy trong hình như sau:
Đặc tuyến Volt-Ampere của thyristor
Một khi thyristor đã ở trạng thái dẫn và dòng điện chạy qua nó theo hướng thuận (cực Anode dương), tín hiệu tại cực G sẽ mất tác dụng điều khiển do tác động chốt tái tạo của hai transistor bên trong. Việc áp dụng bất kỳ tín hiệu cổng hoặc xung nào sau khi tái tạo được bắt đầu sẽ không có tác dụng gì cả vì thyristor đã được dẫn hoàn toàn.
Không giống như transistor, SCR không thể được phân cực trong vùng hoạt động dọc theo đường tải giữa trạng thái tắt và bão hòa của nó. Độ lớn và thời lượng của xung “mở” tại cực G ít ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện do sự dẫn điện được điều khiển bên trong. Khi đưa một xung vào cực G của linh kiện là đủ để khiến cho linh kiện dẫn và duy trì trạng thái dẫn vĩnh viễn ngay cả khi tín hiệu cực G bị loại bỏ hoàn toàn.
Do đó, thyristor cũng có thể được xem là một mạch chốt lưỡng ổn có thể có hai trạng thái ổn định “TẮT” hoặc “DẪN”. Điều này được giải thích: khi không áp dụng tín hiệu vào cực G, SCR chặn dòng điện theo cả hai hướng của dạng sóng AC và một khi được kích hoạt dẫn điện, hoạt động chốt tái tạo diễn ra và linh kiện không thể chuyển về trạng thái tắt bằng cách sử dụng cực G của nó .
Vậy làm thế nào để chúng ta tắt thyristor?. Khi thyristor đã chốt trạng thái dẫn của nó và cho phép dòng điện đi qua, nó chỉ có thể được tắt bằng cách ngắt nguồn điện hoặc bằng cách giảm dòng qua linh kiện bằng một số phương tiện bên ngoài (ví dụ như mở một công tắc) xuống dưới một giá trị thường được gọi là dòng giữ tối thiểu, IH.
Do đó, dòng Anode phải được giảm xuống dưới mức dòng giữ tối thiểu này đủ lâu để các mối nối chốt P-N bên trong thyristor khôi phục lại trạng thái khóa của chúng trước khi điện áp phân cực được cung cấp lại cho linh kiện mà không tự động dẫn. Tất nhiên, sau đó để một thyristor dẫn điện như lúc ban đầu, dòng Anode cũng là dòng tải IL phải lớn hơn giá trị dòng giữ (holding current ) của nó. Tức là IL> IH.
Bởi vì thyristor có khả năng điều khiển tắt bất cứ khi nào dòng Anode bị giảm xuống dưới giá trị dòng giữ tối thiểu này, do đó khi được sử dụng trong mạch có nguồn cung cấp AC hình sin, SCR sẽ tự động tắt khi điện áp xoay chiều chuyển sang bán kỳ âm, và như chúng ta đã biết, thyristor sẽ vẫn là tắt cho đến khi áp xung kích tiếp theo vào cực G.
Do điện áp xoay chiều hình sin liên tục đảo cực từ cực dương sang cực âm trong mỗi nửa chu kỳ, điều này cho phép thyristor chuyển sang tắt tại điểm 180o của dạng sóng dương. Hiệu ứng này được gọi là giao hoán tự nhiên, và là một đặc tính rất quan trọng của SCR.
Nếu thyristor được sử dụng trong các mạch được cấp nguồn DC, điều kiện giao hoán tự nhiên này không thể xảy ra do điện áp DC không thay đổi, vì vậy, chúng ta cần cách khác để tắt thyristor vào thời điểm thích hợp bởi vì một khi được kích hoạt nó sẽ vẫn tiếp tục dẫn.
Tuy nhiên, trong mạch điện xoay chiều giao hoán tự nhiên xảy ra cứ sau nửa chu kỳ. Trong bán kỳ dương của dạng sóng xoay chiều hình sin, thyristor được phân cực thuận (cực Anode dương) và có thể được kích dẫn bằng cách sử dụng tín hiệu hoặc xung ở cực G. Trong bán kỳ âm, điện thế tại cực Anode trở nên âm hơn so với điện thế tại cực Cathode. Thyristor bị phân cực ngược bởi điện áp này và không thể dẫn điện ngay cả khi có tín hiệu ở cực G.
Vì vậy, bằng cách đưa tín hiệu ở cực G vào thời điểm thích hợp trong bán kỳ dương của dạng sóng AC, thyristor có thể được kích dẫn cho đến khi kết thúc bán kỳ dương này. Do đó, điều khiển pha có thể được sử dụng để kích hoạt thyristor tại bất kỳ điểm nào trong bán kỳ dương của dạng sóng AC và một trong những ứng dụng của SCR là điều khiển công suất của các hệ thống AC như được thấy bên dưới.
Điều khiển pha dùng thyristor
Tại điểm bắt đầu của bán kỳ dương, SCR tắt. Khi đưa xung kích vào cực G thì SCR chuyển sang trạng thái dẫn và duy trì trạng thái này trong suốt thời gian của bán kỳ dương. Nếu thyristor được kích dẫn ngay tại điểm bất đầu của bán kỳ dương (θ = 0o), tải (đèn) sẽ được cấp điện trong toàn bán kỳ dương của dạng sóng AC (chỉnh lưu bán kỳ có điều khiển) với điện áp trung bình trên tải là 0,318 x Vp.
Khi tăng thời điểm đưa xung kích vào cực G trong bán kỳ dương (θ = 0o đến 90o), đèn được chiếu sáng trong khoảng thời gian ngắn hơn và điện áp trung bình được cung cấp cho đèn cũng sẽ giảm tương ứng với độ sáng của đèn.
Như vậy, chúng ta có thể sử dụng SCR để làm bộ điều chỉnh ánh sáng đèn cũng như trong nhiều ứng dụng công suất AC khác như: Điều khiển tốc độ động cơ AC, hệ thống điều khiển nhiệt độ và mạch điều chỉnh công suất, v.v.
Đến đây chúng ta đã thấy rằng thyristor thực chất là một linh kiện nửa sóng chỉ dẫn điện trong bán kỳ dương khi cực anode có điện thế dương và chặn dòng điện chạy qua như diode chỉnh lưu khi cực anode có điện thế âm, bất chấp tín hiệu ở cực G.
Trong thực tế có những linh kiện bán dẫn khác tương tự như SCR, nhưng có thể dẫn dòng điện theo cả 2 chiều hoặc có thể được điều khiển tắt bằng tín hiệu ở cực G.
Những linh kiện như vậy bao gồm GTO (Gate Turn-OFF), SITh (Static Induction Thyristor), MCT (MOS Controlled Thyristor), SCS (Silicon Controlled Switch), TRIAC (Triode Thyristor) và LASCR (Light Activated Thyristor). Tất cả các linh kiện này có các thông số điện áp và dòng điện định mức lớn làm cho chúng hấp dẫn để sử dụng trong các ứng dụng với mức công suất rất lớn.
Các thông số kỹ thuật của thyristor
- Dòng điện thuận cực đại: Đây là trị số lớn nhất dòng điện qua SCR mà nó có thể chịu đựng liên tục, có nghĩa là khi quá trị số này SCR sẽ bị hư. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Tùy thuộc vào loại SCR mà giá trị này có giá trị từ 1A đến 1000A
- Điện áp ngược cực đại: Đây là điện áp ngược lớn nhất có thể đặt giữa A và K mà SCR chưa bị đánh thủng. Khi vượt qua con số cực đại thì SCR sẽ bị phá hủy. Điện áp ngược cực đại của thyristor thường khoảng 100V – 1000V.
- Dòng điện tích kích cực tiểu IGmin: Dòng điện này đóng vai trò kích cho cực cổng G của SCR dẫn điện trong trường hợp điện áp VAK thấp. Dòng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc vào công suất của SCR, nếu SCR có công suất càng lớn thì IGmin phải càng lớn. Thông thường thì IGmin từ 1mA đến vài chục mA.
- Thời gian mở SCR: Là thời gian cần thiết hay độ rộng của xung kích để SCR có thể chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micro giây.
- Thời gian tắt SCR: Là thời gian cần thiết phải đủ dài để SCR có thể chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái tắt, nếu không thì SCR sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắt của SCR khoảng vài chục micrô giây.
- Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/μs
- Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/μs
Tóm tắt
SCR (Silicon Controlled Rectifier) thường được gọi là Thyristor là linh kiện bán dẫn có ba tiếp giáp PN. Nó có thể được coi là hai transistor kết nối bên trong có thể được sử dụng trong việc chuyển mạch các tải điện nặng. Chúng có thể được chốt trạng thái dẫn bởi một xung dòng dương được đưa vào cực cổng (G-Gate) của chúng và sẽ duy trì vô hạn trạng thái dẫn này cho đến khi dòng đi từ cực Anode đến cực Cathode giảm xuống dưới mức dòng chốt tối thiểu.
Đặc điểm tĩnh của một thyristor
- Thyristor là linh kiện bán dẫn chỉ có thể hoạt động ở chế độ chuyển mạch.
- Thyristor là thiết bị hoạt động theo dòng điện, dòng cực cổng nhỏ sẽ điều khiển dòng anode lớn hơn.
- Chỉ dẫn dòng điện khi được phân cực thuận và dòng điện kích được đưa vào cực cổng.
- Thyristor hoạt động giống như một diode chỉnh lưu một khi nó được kích dẫn.
- Dòng điện anode phải lớn hơn dòng điện giữ để duy trì trạng thái dẫn.
- Ngăn dòng điện chảy qua khi bị phân cực ngược, cho dù có dòng điện đưa vào cực cổng.
- Sau khi được kích dẫn, linh kiện sẽ duy trì trạng thái này ngay cả khi dòng điện cổng không còn với điều kiện dòng anode phải lớn hơn dòng điện chốt/giữ.
Thyristor là các công tắc tốc độ cao có thể được sử dụng để thay thế các rơle điện cơ trong nhiều mạch vì chúng không có bộ phận chuyển động, không có tiếp xúc hoặc bị ăn mòn hoặc bụi bẩn. Nhưng ngoài việc đơn giản là chuyển mạch dòng điện lớn từ trạng thái dẫn sang tắt, thyristor có thể được chế tạo để điều khiển giá trị trung bình của dòng tải AC mà không làm tiêu hao nhiều công suất. Một ví dụ điển hình của điều khiển công suất thyristor là điều khiển ánh sáng đèn điện, máy sưởi và tốc độ động cơ.
