Kỹ sư
NGUYỄN TÂN PHƯỚC
Glẳở TRÌNH OIỆN lử CÔNG NGHIỆP
LINH KIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN MỘT CHIỀU CÔNG NGHIỆP
Lưu HÀNH NỘI BỘ
LỜI NÓI ĐẦU Điện tử công nghiệp là một lĩnh vực ứng dụng của điện tử kỹ th u ậ t trong công nghiệp. Tuy là lĩnh vực ứng dụng mới mẻ nhưng ng àn h điện tử công nghiệp ph át triển râ't nhanh và rộng, nó xâm nhập hầu h ế t các ngành công nghiệp hiện đại như giấy, da, dệt, sợi, nhuộm, may, đường, thực phẩm ... Hiện nay tà i liệu kỹ thuật và dặc biệt là các giáo trìn h về diện tử công nghiệp còn thiếu râ't nhiều, có nhiều giáo trình cũ nội dung không còn thích hợp với những th iết bị mới trong các ngành công nghiệp h iện đại. Điều nầy gây nhiều khó khăn cho học viên, sinh viên các ngành Đ iện - Đ iện tử muôn tìm hiểu thêm về lĩnh vực nầv. Bộ giáo trình “Điện tử công nghiệp” nầy được soạn nhắm mục đích hệ thông hóa các kiến thức cơ bản, giới thiệu các thiết bị diện tử dùng trong các hệ thống tự động diều khiển trong công nghiệp để giúp cho học viên, sinh viên các ngành Điện - Điện tử có điều kiện ôn tập hay tìm hiểu th êm về một ngành diện tử ứng dụng còn khá mới mẻ nầy. Bộ giáo trình “Điện tử công nghiệp” gồm 3 quyển là : 1) Linh kiện diều khiển - Điện một chiều công nghiệp. 2) Kỹ thuật xung. 3) Điện tử ứng dụng trong công nghiệp. Đây là một môn khoa học kỹ thuật hiện dại nên bộ giáo trìn h nầy khó trán h khỏi những sai sót, rẫ t mong bạn đọc thông cảm. T háng 12 n ăm 1997 Tác giả
Chương 1
TRANSISTOR ĐƠN NỐI ƯJT §1. 1. ĐẠI CƯƠNG: Transistor đơn nối được viết tắt là UJT (Ưni-Junction Transistor) là loại tran sisto r chỉ có một mô'i nối PN. Vê cấu tạo UJT có cấu tạo hơi giống FET nhưng có đặc tính khác biệt với FET và thường được dùng trong các mạch tạo xung hay định thì.
§ 1.2. CẤU TẠO CỦA UJT: Transistor đơn nối gồm một hên là thanh bán dân loại N pha tỉ lệ rấ t thấp. Hai cực kim loại nối vào 2 dầu thanh bán dẫn N gọi là cực hên Bi vàB‘2. Một dây nhôm nhỏ có đường kính nhỏ hơn 0 ,lmra được khuếch tán vào thanh N tạo thành một vừng chất p có m ật độ rấ t cao hình thành một mối nổì P-N giữa dây nhôm và thanh bán dẫn, dây nhôm nối chân ra gọi là cực phát E. Hình' l 1 là các cấu tạo và ký hiệu của UJT
§ 1.3. NGUYÊN LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA U.IT: Xét mạch thí nghiệm hình 1 .2 . Một transistor đơn nối có thể vẽ mạch tương đương gồm hai điện trở Rgj văRgg n& từ cực Bi đếncựcB 2 gọi chung là điện trở liên nên RgB và một diod nốì từ cực E vào thanh bán dẩn ở điểm B.
Ta có:
RgB = Rp1 + Rga
1
% 6
% »4 Điếm B thường ở gần cực B‘>hơn Bj nênR g. > Rg2- Mỗi Ư JT có tỉ sô' điện trở khác nhau gọi ià IỊ và: ì] = ----' RBB
(rị — 0,5
0,8)
(1). Khi cực E có VE = 0V thì điện trở liên nền Rgg có trị sô' từ vài kilo-ohm đến 10 kilo-ohm. Lức đó dòng điện đi qua thanh bán dần ỉà: IB = ---------- —--------= RBB + Ri + R 2 R bb
(vì Rj , R2 < < R bb)-
Dòng điện nàv chĩ khoảng vài mA vì Rgg lớn. Qua cầu phân th ế R g 1 - R ggdònglg tạo ra điện thế ỏ điểm B là: VB - v cc. 3 1 = t ị . v cc. r bb
Lức này Vg lớn hơn Vg nên diod EB bị phân cực ngược và có dòng điện ri’ đi từ B rá E, dòng điện rỉ trị sô" rấ t nhỏ. (2)
. Khi tăng điện th ế Vg từ 0V lên thi đòng điện
rỉ giảm dần và khi Vg = Vg thì dòng điện rỉ bàng không. (3) . Nếu tiếp tục tăng Vp lên một mức bằng điện thế ngưỡng của diod EB đế đạt. trị số điện th ế đỉnh Vp = Vg + Vy thì diod EB được phân cực thuận nên dẫn điện và dòng điện Ig tăng lên cao. Do vùng bán dẫn p của diod EB có mật. độ rấ t cao, khi diod được phân cực thuận lỗ trố n g từ p đổ' dồn sang thanh bán dẫn N kéo điện tử từ cực âm của nguồn v cc vèo cực nên Bi tái hợp với ỉỗ trống. Lúc đó hạt tải trong thanh bán dẫn N tỗng cao đột ngột, làm cho điện trỏ Rg, bị giám xuống và Vg cũng bị giảm xuống kéo v;£ giảm xuỏng lại làm cho dòng lr tăng cao. B ìn h 1 .3
Trong khoảng này điện thế VE bị giảm trong khi dòng điện IE lại tăng nên người ta gọi đây là vùng điện trở âm. Khi Rgj giảm thì điện trở liên hên Rgg cũng bị giảm và dòng điện Ig tăng lên gần bằng hai lần trị số ban đầu vì bây giờ điện trở liên hên chủ yếu là Rg và Ig —
V Rb2
Dòng điện IE tiếp tục tăng và điện thế VE giảm đến một trị số thấp n h ất là điện th ế thung lũng Vv (valỉey) thì dòng điện Ig vàVg sẻ tăng lên như đường đặc tính của một diod thông thường. Vùng nàv gọi là vùng bão hòa. Hình 1 .3 là đưòng đặc tính của UJT biểu diễn sự biến thiên của IE theo điện th ế cực phát VE.
§ 1 .4. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA UJT: Transistor đơn nối có các thông số kỹ thuật quan trọng cần biết khi sử dụng và tính toán là: ( 1 ) . Đ iện trở liên n ền Rbb: Là trị sô' điện trở giữa hai cực hên Bi vàB2 khi cực E đế’ hở. Trị số Rgg khoảng vài kilo-ohm đến 10 kilo-ohm. (2 ) . Tỉ SỐ rji Kgi Theo định nghĩa rj = -----. Thông thường rj - 0,5 -e 0,8. r BB * Từ giá trị của TỊ có thể tính đứdc điện thế điểm B giữa hai điện trở Rg, và Rg2 theo công thức:
yB= vcc—! = >7. vcc. r bb
(3 ) . Đ iện th ế đỉnh
vp:
Điện th ế đỉnh Vp là điện th ế tối thiểu để phân cực thuận diod EB khi hai cực nen B^B2 nốì vào nguồn Vcc. Vp = Vg + Vr = ,? .Vcc + Vr .
(4 ) . D òng đ iện đỉnh Ip: Dòng điện đỉnh Ip là dòng điện Ig ứng với điện thế Vg là điện thế đỉnh Vp. Dòng điện Ip thường có trị số nhỏ khoảng vài chục //A. (5 ) . Đ iên thè' th u ng lữ ng Vv: Là điện th ế cực phát VE giảm xuống thấp nhất sau khi phân cực thuận diod EB. Điện th ế Vv có trị sô' khoảng vài Volt.
3
«(6). D ò n g đ iệ n th u n g lũ n g Iv: Dòng điện th u n g lũng Iv là dòng điện IE ứng với điện th ế Vg là điện th ế th u n g lũng Vv. Dòng điện Iv thường có trị sô' rấ t lđn so vổi Ip (ly, khoảng vài mA trở lên).
(7). C ôn g su ấ t tiê u tá n PDmax: Là công su ất nhiệt lớn n h ất mà U JT có th ể chịu được khi có dòng điện đì qua, lớn hơn trị số này U JT sẽ bị hư § 1 .5. Ứ N G D Ự N G C Ủ A U J T Do U JT có tín h ch ất đặc biệt là khi Vg < Vp th ì dòng Ig = 0 và dòng Ig r ấ t nhỏ, nhưng khi VE = Vp th ì dòng IE tăn g cao đột ngột và dòng Ig cũng tăn g lên khoảng gấp đôi nên U JT thường được dùng tro n g các m ạch tạo xung. Mạch ứ n g dụng phổ biến n h ấ t của U JT là m ạch dao động tích thoát ( 1 ). M ạch dao đ ộ n g tích thoát: I *Vcc -10*
Hỉnh 1 .4
Hình 1 .5
Mạch điện hình 1 .4 là sơ đồ mạch dao động tích th o át cơ bản, tro n g đó điện trở Ri - R 2 để nhận tín hiệu xung ra (R2 còn có tác dụng ổn định nhiệt cho điện th ế đỉnh Vp), tụ điện c và điện trở là mạch nạp để tạo điện th ế tăng dần cho cực E. Khi thay đổi trị sô' điện trở R là thay đổi hằng sô' thời gian nạp xả của tụ. (2). N guyên lý m ạch d ao đ ộ n g tích th o á t: Để phân tích nguyên lý mạch dao động tích thoát, ta có th ể đổi từ m ạch điện hình 1 .4 thành mạch tương đương như hình 1 .5 Giả sử U JT có điện trỏ liến nên Rgg = 10 K và TỊ = 0,6 Suy ra:
R B1 = V ■R bb = 0,6 X 10 K = 6 K Rb 2 * R bb - R bi = 10 K - 6 K = 4 K
4
c coi
Khí mớiđóng điện thì tụ
như nối tắ t nên Vg = 0
ngược nên chỉcó dòng điện IB đi từ nguồn
V.
Lúc đó diodEB
VCC xuống mass. Dòng điện IBđược
bị phân cực tính theo
công thức IB = _______ _________________________________ * 1 mA Rj + RB1 + RB2 + R2 100 + 6 K + 4 K + 200 Điện thế ở các cực nên là VB1 = IB . Ri = 1 mA X 100 = 0,1V
0 v)
VB2 = v cc - IB . R2 = 10v - (1 mA X 200) = 9,8V (» v cc) Điện thế điểm B trong thanh dẫn điện là: R i + R bi _ in VB = „vcc--------------------------------------= 10 V Ri + RB1 + RB2 + R2
Khi tụ điện
c
100 + 6 K
X ---------- ———
-
~ 6 V
10,3 K
nạp điện qua R làm điện thế tăng lên đến trị số điện th ế đỉnh Vp thì
diod EB sẽ dẫn điện. Vp = VB + vy= 6V + 0,6^ = 6,6V Khi diod EB dẫn điện như đã biết, lỗ trông từ cực E đổ sang thanh bán dẫn làm RBỊ giảm trị số nên điện th ế VB giảm kéo theo VE giảm làm tụ xả điện qua diod EB và điện trở Rg 1 xuống mass Khi RB1 giảm trị số thì dòng điện IB qua thanh dẫn tăng lèn khoảng gấp đôi (~2mA) nên điện thế VB2 bây giờ là: VB2 =
vcc -
(IB ■R2) =
l ° v - (2
mA
X 200)
= 9,6
V
ơ cực B có xung âm ra với bièn độ là: 9,6 V - 9,8 V = - 0,2 V. Đồng thời lúc đó dòng điện qua RBJ và Rj là IB và Ig do tụ xả ra nên điện thế VBỊ tăng cao. Cực Bi có xung dương ra nhưng biên độ lđn hơn xung ầm ở cực B2 nhiêu lần vì dòng điện IE có trị sô' lớn hơn IB, Hình 1 .6 cho thấy dạng sóng ở các cực Khi tụ c xả điện từ điện thế Vp xuống trị số Vv thì diod EB lại ngưng .dẫn và ở hai cực B không còn xung ra.Xung ra ở hai cực B có dạng xung nhọn âm và dương. Sau khi tụ xã xong thì điện thế các chân trở lại bình thường và tụ c lại nạp điện qua R, hiện tượng trên lại được tiếp diễn.
Hình 1 .6
5
(3). Tần số củ a m ạch dao đ ộ n g tíc h th o á t Khi vừa mới đóng điện thì tụ sẽ nạp điện từ 0
V
lên đến Vp rồi sau đó tụ xã điện đến
mức Vy. N hững Tân nạp sau tụ đều nạp từ điện th ế Vy lèn đến Vp rồi lại xã từ điện thê Vp-giảm đến Vy. Thời gian nạp và xã điện của tụ được tính giữa hai điện th ế này (hình
1 .5) Tụ
c
nạp điện theo công thức:
vc = Vy + (Vcc - Vy) . (1 - e
vc = v cc - (Vcc - Vy) . e
t RC
)
t RC
Thời gian để tụ nạp từ Vy lên Vp là tp khi đó Vc = Vp
Vp = Vcc - (Vcc ~ Vy)
_tỊ_ (Vcc - Vy) . e RC
= Vcc - Vp
Vcc ” vp
= vcc -
Vy
IL Q RC _= ------------v cc - Vy Suv ra: e Vcc - Vp Do hàm số ngược của hàm sô' mũ là hàm logarit nên ta có tj = RC Ln Tụ
c
Vcc - Vy
V,cc Vp xã điện theo công thức: _ \T
vc = V p . e
(RB1 + Rl) ■c
Thời gian để tụ xã từ Vp xuông Vy là t>, khi đó vc = Vy t2 V _— V V vp
„ fRBl + Rl) • r
. G
Tương tự cách giải trê n ta có: ^2 - (Rbi
+ Ri) • c . Ln — Vy
Lưu ý điện trỏ RB1 trong công thức tính t 2 có trị số nhỏ ứng với trạ n g thái ƯJT có dong Ip đi qua diod ED, t r ị , s ô này nhỏ hơn điện trở Rgi khi Vg = 0
6
V
khoảng vài chục đến
một trăm lần Chu kỳ dao động là: T = Inạp
^xẩ.= tl "!■ ^2
Trong trường hợp (Rbi + Ri) . c có trị sô' nhỏ thì có thể coi như T = ti, đồng thời do Vy < < VCC và Vp ~ rj . v cc nén chu kỳ T có thể tính theo công thức gần đúng là T = RC . Ln - J — 1 - rj Tân sô' dao động là: f = — = -------- ỉ-------T 1 R C . Ln —-— 1 —7/ (4). Phương trìn h đường tải: Trong mạch dao động tích thoát, trị sô' điện trở R của mạch nạp RC có ý nghĩa quan trọng, nếu trị sô' R quá lớn hay quá nhỏ mạch có thê không hoạt động đúng theo nguyên lý mạch tích thoát được. Nếu điện trở R có’ trị sô' quá lớn, khi tụ nạp đến điện th ế Vp mà dòng điện qua R ớ thời điểm này nhỏ hơri Ip thì mạch RC không kích UJT được. Như vậy phải có:
Ip
'ì Nếu điện trở R có trị sô quá nhỏ, khi tụ xá xuông đến điện th ế Vy mà dòng điện đi qua R ở thời điểm này lớn hơn ly thì UJT sẽ không ngưng được. Như vậy phải có: R > 1*V< * - -Vv. Iv Phương trình đường tải là: Vcc - Vv
„
v cc - Vp
------------- < rí < ------------- ĩy
Ip
Thông thường: R = 1 KQ -í- 1 MÍ2 c = 100 PF -r- 100 MF
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1) Phân biệt cấu tạo của UJT và FET? ■ 2) Giải thích hiện tượng vùng điện trở âm của UJT? 3) Cho biết các thông sô' kỹ thuật của UJT? 4) Giải thích nguyên lý của mạch dao động tích thoát? 5) Cách tính tần sô' của mạch dao động tích thoát?
7
Chương 2
THYRISTOR § 2.1. CẤU TẠO: T hyristor còn được viết tắ t là SCR (Silicon Controlled R ectiíĩer : bộ nắn điện được điêu khiển làm bàng chất Silicium). SCR gôm có bốn lớp bán dẫn khác loại p - N ghép nối tiếp nhau và được nối ra ba chân. - A : anod (dưpng cực) - K : catod (âm cực) - G : gate (cực cửa)
Hình 2.1:
H ình 2.1 cho thấy cấu tạo của SCR.
§ 2.2. NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN CỦA SCR. Để phân tích nguyên lý vận chuyển của SCR; người ta có thế' xem SCR giống như hai T ran sisto r gồm m ột T ransistor PN P và m ột T ran sisto r N PN ghép lại theo kiểu cực c của N PN nối vối cực B của PN P và ngược lại cực c của PN P nối cực B của NPN. Xét m ạch thí nghiệm hình 2.1 Mạch điện hình 2.2b là mạch thí nghiệm được vẽ theo kiểu xem SCR như hai T ransistor,
8
gọi T 2 là Transistor NPN và T., 1;'. Transistor PNP.
==>
Hình 2.-0
llìl,h 2--h
(1) Trường hợp cực G để hở hay Vg = 0V? Khi cực G có Vq = 0V có nghĩa là Transistor T 2 không có phân cực ở cực B nên T 2 ngưng dẫn. Khi T] ngưng dẫn, IBl = 0 , Ic = 0, nên Ig, = 0 v àT 2 cũng ngưng dẫn. Như vậy trường hợp nầy SCR không dẩn điện được, dòng điện qua SCR là IA = 0 vàV AK =
vcc.
Tuy nhiên khi tăng điện thế nguồn Vcc lên mức đủ lớn làm điện thế Vak tăng theo đến điện thế ngập Vgo (Breakover) thì điện th ế VAK giảm xuống giông như đíođ và dòng điện IA tăng nhanh. Lúc nầy SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện ứng với lúc điện thế VAJỊ bị giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì I ịj (holding). Sau đó, đặc tính của SCR giống như một diod nắn điện. (2) Trường hợp cực G có Vak > 0V. Khi đóng công tắc để cấp nguồn Vợr' được giảm thế qua R q cho cực G thì SCR dễ chuyển sang trạng thái dẫn điện. Lúc nầy Transístor T 2 được phân cực ở cực B nên dòng
Hĩnh 2.0
9
điện IG vào cực cống chính là Igj làm Tj dẫn cho ra IGl, dòng điện IGl chính là đòng điện
Ig n ê n lúc đó
cũ n g dẫn điện và cho ra dòng điện Ic2, dòng điện Ic2 lại cung cấp ngược
lại cho T ị v à lc 2 = Ig
Nhờ đó m à SCR sẻ tự duy trì trạng thái dẫn mà không cần có dòng
IG liên tục. Ta có: ICl = I b ->
và
Ic 2 = ỈBi
Theo nguyên lý nầy dòng điện qua hai Transistor sẽ được khuếch đại lớn dần và hai Transistor sẽ chạy ở trạng thái bảo hòa, khi đó điện thế Vạk rdt nhỏ (= 0,7v) và dòng điện qua SCR là: IA =
vcc -
Vak Vcc cc _ — ® . Rl Rl
Qua thực nghiệm cho thấy khi dòng điện cung cấp cho cực G càng lđn thì điện thế ngập thấp tức là SCR càng dễ dẩn điện. Hình 11.3 là đặc tính của SCR vđi ba trường
V g Q C càn g
hợp IG = 0 và Ig2 > IGl > 0. (3) T rường hợp p h â n cự c ngư ợc SCR: Phân cực ngược SCR là nối cực A vào cực âm và cực K vào cực dương của nguồn Vcc. Trường hợp nầy giống như một diod bị phân cực ngược, SCR sẽ không đẫn điện mà chỉ có dòng điện rỉ rất nhỏ đi qua. Khi tăng điện thế ngược lên dủ lđn thì SCR sê bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiêu ngược. Điên thế ngược để đủ đánh thủng SCR là Vgn- Thống thường trị số VgỊỊ và VgQ bằng nhau và ngược dấu.
s 2.3.
KÝ HIỆU VÀ HÌNH DÁNG CỦA SCR.
A—
Hình 2.4a: Ký kiệu cua SCR.
Hình 2.41 Các loại SCR thông dụng.
§ 2.4. CÁC THÔNG s ố KỸ THUẬT CỦA SCR: Khi sử dụng SCR phải biết các thông số kỹ thuật quan trọng để tránh làm hư SCR do dùng sai chỗ hay do vượt quá các giđi hạn cho phép. (1) D ò n g đ iệ n th u ận cự c đại: ỈAmax hay lFm»x Đày là trị số lđn nhất của dòng điện qua SCR mà SCR có thể chịu đựng liên tục, nếu
10
quá trị số nầy SCR sẽ bị hư. Khi SCR đã dẫn điện thì Vak khoảng 0,7v nên dòng điện thuận qua SCR có thể tính theo công thức:
Ia =
vcc - 0,7 Rl
(2) Đ iện th ế ngược cự c đại. Vbr Đây là điện thế ngược lớn nhất có thể đặt vào giữa A và K mà SCR chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị sô' hây SCR sẽ bị phá hủy. Điên thế ngược cực đại của SCR thường từ lOOv đến 1000v.
I (3) D òng đ iện kích cực G cực tiểu: iGmin Đế' SCR CÓ thể dẫn điện trong trường hợp điện thế Vak thấp thi phải có dòng điện kích
cho cực G của SCR. Dùng Iomin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiên SCR dẫn điện và dòng Iomin c° trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của SCR, nếu SCR có công suất càng lớn thì iGmin phải càng lớn. Thông thường iGnún từ 1 mA đốn vài chục mA. (4) Thời gian mở SCR. Là thời gian cần thiết hay là độ rộng của xung kích đế SCR có thế’ chuyến từ trạn g thái ngưng sang trạng thái dỗn. Thời gian mở khoảng vài ụs . (5) Thời gian tắt. Theó nguyên lý SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích. Muốn SCR đang ở trạng thái dẫn chuvển sang trạng thái ngưng thì .phải cho I q = 0 và cho điện th ế YaK = 0v. Đề SCR có thể tắt được thì thời gian cho VAK = Ov phải đủ dài. nếu không khí YaK tăng lên cao lại ngay thi SCR sẽ dẫn điện trở lại. Thời gian tắ t của SCR khoảng vài chục ,us.
§ 2.5. ỨNG DỤNG CỦA SCR. (1) Mạch đ iều k h iển tố c đô động cơ: Trong mạch điện hình 2.Õ . động cơ M là động cơ vạn năng - loại động cơ có thế’ dùng điện AC hav DC. Dòng diện qua động cơ chỉ là dòng điện ở bần kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thav đổi góc kích của dòng điện I g Khi SCR chưa dẫn thì không có dòng điện qua động cơ, diod D nắn điện bán kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở Ri và biến trở VR. Điện thế cấp cho cực Q lấy trên tụ
c
và qua cần phân thế R2 - Ríj. Giả sử điện thế dủ đế kích cho cực G là Vq = 1V
11
và dòng điện kích IGmin = 1 mA thì điện th ế trê n tụ
c
phải khoảng lOv. Tụ
c
nạp điện
qua Rj và VR với hằng sô' thời gian là: ĩ = c (Ri + VR) Khi thav đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đối thời điểm có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tứ c là thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ động cơ bị thay đổi. Khi nguồn AC có bán kỳ âm thì diod D và SCR đêu bị phân cực nghịch nên diod D ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạ n g thái ngưng.
t Hình 2.7
Hình 2.6
(2) M ạch báo động: Nếu SCR dùng với nguồn 1 chiêu thì có thế’ ứng dụng trong các mạch báo động khi quá nhiệt., quá áp suất, theo ánh sáng hay báo trộm khi kẻ trộm mở cửa nhà hay cửa tủ. Trong mạch hình d.7 , nút p là n ú t ấn bằng tay để ấn công tắc tự động có thể là loại Therm ostat đề’ báo quá nhiệt suất và s là côrig tắc tí hon được đặt ở các cửa nhà, cửa tủ.
khi khẩn cấp, công tắc K là hay pressostat đế’ báo quá áp
Khi một. trong các tiếp điểm trê n đóng lại thì SCR sẽ được kích dẫn điện và duy trì trạ n g thái dản để cấp điện cho đèn báo hiệu và còi hú đế báo động.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG
2
1) Giải thích nguyên lý vận chuyến của SCR khi cực G có điện th ế kích và không có điện th ế kích? 2) Các thông số kỹ th u ật quan trọ n g của SCR? 3) P hán biệt nguyên lý vận chuyến của SCR khi dùng với nguồn m ột chiêu và nguôạ xoay chiêu?
12
C hương 3
DIAC - TRIAC Trong các chương trước đã giđi thiệu các linh kiện điện tử bán dẫn như điod, Transistor lưỡng nối, Transistor trường ứng, Transistor đơn nối, SCR là những linh kiện bán dẫn chỉ sử dụng được vđi nguồn điện một chiêu, riêng diod và SCR khi dùng vđi nguồn điện xoay chiêu thì cũng chỉ cho dòng diện đi qua theo một chiều từ A sang K. Trong chương nầy giới thiệu hai linh kiện bán dẫn có thể cho dòng điện đi qua cả hai chiêu - tức là hoạt động được với nguồn xoay chiêu - là Diac và Triac.
§ 3.1. DIAC: Diac được viết tắ t bởi Diod Ac semiconductor swítch (cóng tắc bán dẫn xoay chiêu hai cực). (1) Cấu tạo: Diac có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp nhau như m ột T ransitor nhưng chỉ ra có hai chân nên được xem như một Transistor không có cực nền. Hai cực ở hai dầu được gọi là T ị và T2 và do tính chất đôi xứng của Diac nên không cần phân biệt Ti - T2. Hình 3.1 cho thấy cấu tạo, ký hiệu và hình dáng của Diac.
Hỉnh 3.1
Hình 3.2
13
(2) N guvên lý: Xét mạch thí nghiệm hình 3.2 nguồn v cc có thể chinh được từ thấp len cao. Khi
J <i
v cc có trị sô' t.hâ'p thì dòng điện qua diod chi là dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ. Khi tàng điện thế Vcc lên một trị số đu lổn là
-
~v60 ***> -----Ị--------------------—3
VB0 thì điện th ế trên Diac bị giảm xuống
X
và dòng điện tăng lên nhanh. Điện th ế nầy gọi là điện th ế ngập (Breakover) và dòng điện qua Diac ở điểm Vgo là dòng điện
.................. ^ v 60
•teo
V
H ìn h :i:-;
ngập I bo
_ Y V Điện thế Vgo của Diac có trị số trong khoảng từ 20 đến 40 . Dòng điện IBo c° trị sô khoang tù vài chục liA đến vài trăm ,uA.
r2
H ình 3.3 cho thấy đặc tính của Diac, đặc tính nầv hơi giống như đặc tính cùa hai Diod Zener ghép nối tiếp nhưng ngược chiêu nhau như hình 3.4 Khi có diện thế đạt vào hai chân Ti —Tz của hai Diod Zener Zị - z~2 thì sẽ phán cực thuận một Diod Zener cho ra điện thế Vp = 0,7v và phân cực ngược Diod Zener tạo 1-a hiệu ứng Zener cho ra điện thế v z ,
li inh- S.4
*T«
Như vậy điện th ế VBo c ủ a Z j —Z2 chinh là: VB0 = VD + v z Khi đổi chiêu dòng điện ngược lại thì vẫn có một Zener phân cực thuận và m ột Zẹner phân cực nghịch nên ta cũng có điện th ế VBo theo công thứ c trên. Nếu khéo chọn điện th ế v z của Zener ta có th ể tạo ra được nhiêu linh kiện có đặc tính tương đương Diac với nhiêu cấp điện th ế VB0 khac nhau. § 3 .2 . TRIAC: Triac được viết tắ t bởi Triod AC semiconduc.tor sw itch (công tắc bán dẫn xoay chíèu ba cực).
(1) Cấu tạo: Vê cấu tạo Triac gôm các lớp bán dẫn P.N ghép nối tiếp nhau như hình nối ra 3 chân, hai chân đầu cuối gọi là Tj - T\> và m ột chân là cực cửa G.
3 .õa và được
Triac có thể được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiêu nhau sao cho có chung cực cửa G. Từ cấu tạo hình 3.r> Triac có ký hiệu như hình 3.(5 và cũng được coi như hai SCR ghép song song và ngược chiêu.
14
Hình
6a: Ký hiệu của Triac
Hỉnh . 6b: Triac tương đương 2 SCR
(2) N guyên lý: Theo cấu tạo một Triac được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều TỊên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như thí nghiệm trên hai SCR.. a)
Khi cực T2 có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn điện
theo chiêu từ T 2 quaT} (hình 3.7a )
Hì nh 3.7c
15
b) Khi cực T‘> có điện th ế âm và cực G được kích xung âm thì Triac đẫn điện theo chiêu từ T iq u a T 2 (hình 3.7b ) c) Khi Triac được dùng trong' dương, cực G cần được kích xung xung âm. Triac cho dòng điện qua nai cực T ị rấ t nhỏ nên được
m ạch điện xoay chiều công nghiệp thì nguôn có bán kỳ dương; khi ngùôn có bán ký âm, cực G cần được kích được cả hai chiêu và khi đã dẫn điện thì điện thê trên coi như công tắc bán dẫn dùng trong m ạch điện xoay
chiều (hình (3) Đ â c tín h : Ti-iac có dậc tính Volt. Ampere gồm hai phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần nầy giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiêu nhau.
Hình :ỉ.s.
(4) C ác cá ch k ích Triac: Theo phần nguyên lý của Triac thì Triac cần được kích xung dương khi cực T 2 có điện th ế dương và cần được kích xung âm khi cực T 2 có điện th ế âm. Thực ra Triac có thể kích bằng bốn cách như trong hình 3.9 trong đó cách thư n h ất và thứ hai được gọi là cách kích thuận vì đúng theo nguyên lý và chỉ cần dòng điện kích trị số nhỏ hơn so với cách thứ ba và thư tư.
Vtz > ov , Vơ > ov
V ĩ2 <
ov , vg
<
Vt 2 > 0v , Vg <
ov
Hình 3.9 Các cách kích Triac.
16
ov
Vt 2 < 0V , Vg >
ov
§ 3.3. ỨNG DỰNG CỦA TRIAC VÀ DIAC:
Hỉnh 3. ỉ Oa
Hình 3.lOb
Hình 3,ỊQa là sơ đồ nguyên tắc mạch điêu khiển Triac đế thay đổi dòng điện cung cấp cho tải. Mạch dịch pha có tác dụng thay đối thời điểm cho ra xung kích cho cực G của Triac sớm hay trễ, mạch phát xung thường là mạch dao động tích thoát tạó ra xung nảy hay là diac đế khống chế điện thế kích cho cực G. Hình S.lOb là mạch điêu khiển Triac đơn giản dùng cho các loại tải có công suất nhỏ. ở mỗi bán kỳ của nguồn điện xoay chiêu cực G của Triac đêu được kích bằng điện th ế thích hợp theo cách kích thuận nên Triac dẫn điện liên tục cả hai bán kỳ khi công tắc s ở vị trí ON. Khi công tắc s ở vị trí AUTO thì tùy thuồc trạng thái của tiếp điểm K, tiếp'điểm K có thể là tiếp điểm của bộ điêu nhiệt tự động (Thermostat) hay bộ điều áp tự động (Pressostat) hay các loại công tắc giới hạn (thường gọi là Micro S\vitch).
Hình 3.10c
Hình 3.10d
Hình 3.10c là mạch điêu khiển dòng diện qua tải dùng Triac, Diac kết hợp vối quang trở CdS để tác động theo ánh sáng. Khi CdS được chiếu, sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện thế nạp được trên tụ c thấp, Diac không dẫn điện và Triac không được kích nèn không có dòng qua tải. Khi CdS bị che tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện thế trên tụ c tăng cao đến mức đủ đế Diac dẫn điện và Triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua tải, Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng. Hình 3 ĨOil
là mạch điều khiển Triac dùng Transistor đơn nối và biến áp xung T Trung
17
mạch nầy Transistor đơn nối là mạch dao dộng tích thoát tạo ra xung nảy và qua biến xung tạo điện thế kích cho cực G của Triac, tùy thuộc trị sô' của Rr mà thời điểm có xung sđm hay trễ. Biến áp xung T có tấc dụng cách ly điện thế giữa mạch công suất trên tải và mạch điều khiểh để đảm bảo an toàn điện. Trong các mạch cần có sự đồng bộ giứa xung kích và nguồn xoay chiêu cung cấp cho tải thì ngùôn điện cung cấp cho mạch điêu khiển có thể lấy từ ngùôn xoay chiêu 220v giảm thế rồi qua mạch nắn điện không lọc điện. Lúc đó, điện th ế nguồn cung cấp cho mạch điêu khiển có dạng là những bán kỳ dương dợn sóng và ứng với mỗi bán kỳ của dòng điện xoay chiêu sẽ có một xung nảy để kích cho cực G của Triac (hình dOp )
Hình 3.10e Trong mạch điện hình 3.10e cả hai bán kỳ dương và âm của nguồn xoay chiêu cung cấp cho tải cực G của Triac đêu được kích bằng xung nảy dương.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3
1) Cho biết cấu tạo của Diac và Triac? 2) Phân biệt nguyên ỉý, đặc tính của Diac và diod Zener? 3) Phân biệt nguyên lý, đặc tính cửa Triac và SCR?
18