Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp npn hay pnp và được biểu diễn trên hình

a)

b)

Cũng như các linh kiện loại bán dẫn khác, điện áp tăng gây nên sự va chạm

dây chuyền. Điện áp cực góp và cực phát ngược gây nên va chạm dây chuyền ở lớp

chuyển tiếp gốc – phát ở điện áp thấp vào khoảng 10V. Vì thế không thể để tranzito

chịu điện áp ngược. Trong các mạch có điện áp đổi chiều người ta mắc một điốt nối

tiếp với tranzito.

Các đặc tính của tranzito pnp trên hình 1.4 cũng có dạng tượng tự.

Tổn hao công suất trong tranzito bằng tích của điện áp góp – phát nhân với

dòng điện góp.

Ví dụ trên hình 1.6 nếu ta biến đổi dòng điện gốc để điều khiển dòng điện

qua tải đặt ở cực góp thì có thể xuất hiện các điện áp cao ở các cực của tranzito. Ví

dụ U = 200V, dòng điện gốc IB được điều chỉnh để tạo nên dòng điện 10 A qua tải

10 Ω, điện áp rơi trên tranzito là 100V, như

vậy tổn hao công suất của tranzito là 1kW và hiệu suất tổng cộng là 50%, hiệu suất

đó không thể chấp nhận được.

Hình 1.5 Đặc tính của tranzitor

Trong thực tế sử dụng, tranzito công suất thường được cho làm việc ở chế độ

khoá. ở chế độ này, khi dòng điện gốc bằng không, dòng cực góp bằng không,

tranzito được coi như là hở mạch

( hình 1.7) .

Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hoà, thì tranzito trở về

trạng thái đóng hoàn toàn. Tranzito là một linh kiện phụ thuộc nên cần phải phối

hợp dòng điện gốc với dòng điện góp. Ở trạng thái bão hoà để duy trì khả năng điều

khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để

chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng. Ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm

cùng quy luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp

Hình 1.6

Tải được điều khiển bằng tranzitor



3



3



Hình 1.7 Tranzitor chuyển mạch

a) trạng thái dẫn và bị khoá; b) Diện tích an toàn ở chế độ xung

Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khoá người ta duy trì một điện áp

ngược với giá trị nhỏ ở cực gốc như một khoá chuyển mạch, tổn hao trong công

suất tranzito là nhỏ. Tổn hao đó tính ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp

bão hoà (trong hình 1.5) và dòng góp ở trong trạng thái đóng. Điện áp bão hoà

thông thương của tranzito công suất silic khoảng 1,1V. Để sử dụng triệt để tranzito

mà không bị quá tải trong khi chuyển mạch cần đảm bảo có điện tích an toàn vẽ trên

hình 1.7b. Trong lúc chuyển mậch giữa hai trạng thái trình bầy trên hình 1.7 a điện

áp và dòng điện tức thời phải nằm trong vòng biểu diễn trên hình 1.7b. Chỉ trong

khoảng thời gian chuyển mạch rất ngắn có giới hạn hình chữ nhật. Tổn hao công

suất tức thời có thể chấp nhận được làm hạn chế thời gian chuyển mạch, điều đó

dẫn tới làm thay đổi vòng ngoài của điện tích an toàn. Lưu ý là hình 1.7 vẽ theo

thang lôgarit.

Các tổn hao chuyển mạch của tranzito có thể lớn. Trong lúc chuyển mạch,

điện áp trên các cực và dòng điện của tranzito cũng lớn. Tích của điện áp với dòng

điện và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng trong một lần chuyển

mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của

mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.

Với thời gian chuyển mạch vào khoảng 1 đến 2 µs, tranzito chuyển mạch

nhanh hơn tiristo. Các điều kiện làm việc ở cực gốc của tranzito nặng nề hơn so với

cực điều khiển của tiristo. Ví dụ như với tiristo 30A xung điều khiển có thể khoảng

0,1A, trong khi đó dòng điện gốc của tranzito 30A liên tục là 2A trong suốt thời

gian chuyển mạch. Khả năng chịu tải của tranzito rõ ràng là kém hơn tiristo. Người

ta có thể khoá một tranzito đang dẫn bằng cách điều khiển dòng điện gốc trong khi

đó cực điều khiển của tiristo sẽ mất tác dụng điều khiển sau khi đã mồi.

Người ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito công suất một cách

dáng kể bằng cách lấy dòng điện gốc từ một tranzito khác theo mạch Darlington .

Nếu tranzito hỗ trợ được chế tạo trên cùng một miếng silic, hệ số khuếch đại dòng

điện tổng vào khoảng 250, nhưng thời gian chuyển mạch dài hơn.

Hình 1.8. Tiristo

a) Cấu tạo; b) Cấu trúc thông thường; c) Ký hiệu

4



4



1.2 TIRISTO

Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn pnpn liên tiếp tạo nên anốt, catốt và cực

điều khiển (hình 1.8a).

Cấu tạo thường gặp của tiristo cho trên hình 1.8b, còn hình 1.8c là ký hiệu của

tiristo

Về mặt cấu tạo tiristo gồm một đĩa silic từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm

loại bán dẫn p có cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên

bằng kỹ thuật bay hơi của gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và catốt làm bằng đĩa

môlipđen hay tungsten có hệ số nóng chảy gần với silic. Cấu tạo dạng đĩa kim loại

để dễ dàng tản nhiệt. Hình 1.9 trình bày mặt cắt của một tiristo. Ngoài cùng là lớp

vỏ bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ dàng tản nhiệt cũng như để dễ

nối với mạch ngoài.

Để giải thích sự làm việc của tiristo ta hãy xét chi tiết các lớp bán dẫn trong

một tiristo.

Hình 1. 9 Mặt cắt của tiristo

Hình 1.10 trình bày chi tiết các lớp bán dẫn đó.

a)Lớp catốt là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu có dòng

điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển.

Lớp catốt có dòng điện ngược lớn nhưng chỉ chịu được điện áp ngược thấp.

b)Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do đó hầu hết các

điện tử từ lớp catốt có thể tới được lớp điều khiển.

Hình 1.10 Chi tiết mặt cắt của tiristo

c)Lớp chắn là bán dẫn loại n là lớp dầy nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do đó

tiristo có dòng điện ngược (dòng điện rò) nhỏ và chịu được điện áp ngược lớn.

d)Lớp anốt là bán dẫn loại p, có chiều dầy và mật độ trung bình. Lớp sát vỏ anốt có

mật độ điện tích cao để giảm điện trở thuận. Lớp anốt có dòng điện ngược bévà

chịu gần như toàn bộ điện áp ngược đặt lên tiristo.

Tiristo 300A, 200V có lớp silic đường kính 30 mm dầy 0,7 mm.

Để nghiên cứu sự làm việc của tiristo ta xét riêng rẽ trong hai trường hợp :



p

n

p

n

+

5



5



u

i

Dòng điện ngược

Điện áp ngược



Hình 1.11. Tiristo phân cực ngược.

a) Sơ đồ; b) Đặc tính vôn ampe

1) Tiristo phân cực ngược (hình 1.11a): tiristo làm việc như một điốt phân cực

ngược và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua. Giá trị điện áp ngược

khoảng từ 100 đến 3000V tuỳ theo loại tiristo, dòng điện tăng đột ngột và tiristor bị

chọc thủng (hình 1.11b).

2) Tiristo phân cực thuận : Điện áp giữa anốt và catốt là dương. Để giải thích

sự làm việc của các lớp bán dẫn pnpn trong một tiristo ta xem chúng như gồm 2

tranzito loại pnp và npn nối với nhau sao cho cực gốc của tranzito này được nối với

cực góp của tranzito kia (hình 1.12a và b).

Tranzito đầu tiên loại pnp có cực phát e1, gốc b1, và gốc c1. Dòng điện cực góp

Ic1 = Ico + α1Iα

Trong đó Ico1 là dòng điện rò, α1 là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T1

Tương tự đối với tranzito T2 loại npn ta có:

Ic2 = Ico 2 + αIα, Ico 2 là dòng diện rò, α2 là hệ số khuếch đại dòng điện của

tranzito T2.

Dòng điện tổng chạy qua tranzito là:

Iα = (α1 + α2) IA + Ico1 + Ico2

đặt Ico1 + Ico2 = Ico là tổng dòng điện rò qua tiristo ta có:

p

e1

n

6



6



b1

n



c1

p



e2



c1



Ic2

Ic1

n



c2

T2

T1

A

G

K



Hình 1.12:

a) Tiristo phân cực thuận; b) Sơ đồ tương đương



Để tăng IA, nghĩa là có sự khởi động hay còn gọi là để “mồi” tiristo cần cho

biểu thức của mẫu số bằng không 1 – (α1 +α ) = 0.

Vậy khi phân cực thuận tiristo có hai trạng thái:

(α1 + α2) < 1 tiristo vẫn tiếp tục bị khoá, dòng điện IA bằng dòng điện rò Ico

(α1 + α2) = 1 tiristo khởi động, trở nên dẫn điện tương tự như điốt phân cực

thuận.

Một trong những tính chất của tranzito silic là có hệ số khuếch đại dòng điện

tăng theo dòng điện cực phát. Do đó có 2 khả năng “mồi” tiristo:

a)Bằng cách tăng điện áp thuận

Nếu tăng dần U thì điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích thêm

năng lượng tạo nên hiện tượng va chạm dây chuyền, tiristo trở nên dẫn điện. Trị số

điện áp UB tại đó tiristo được mồi gọi là điện áp mở (hình 1.13).

7



7



b) Bằng xung mồi vào cực điều khiển

Nếu dòng điện Ig có cực tính dương so với catốt đặt vào cực điều khiển thì

tiristo sẽ được mồi với điện áp mở nhỏ hơn ( hình 1.14).

điểm khởi động

Trạng thái dẫn

Trạng thái bị khoá

IH

Dòng điện duy trì

u

i



Hình 1. 13: Mồi tiristo bằng cách tăng điện áp thuận

Bằng cách tăng dòng điện điều khiển Ig các điểm khởi động của tiristo lùi về

phía trái còn khi Ig đạt tới một giá trị nào đó thì tiristo được mồi ngay lập tức.

Trạng thái bị khoá

Ig=0



Ig3 >Ig2 >Ig1

Trạng thái dẫn



i

IH

Hình 1.14: Tiristo mồi bằng dòng điện điều khiển



`

Khi tiristo đã chuyển sang trạng thái dẫn thì cực điều khiển không còn tác

dụng. Tiristo chỉ trở về trạng thái khoá nếu dòng điện I A nhỏ hơn giá trị dòng điện

duy trì IH và cần một khoảng thời gian tương đối dài để lớp điều khiển trở lại trạng

thái bị khoá trước khi có thể mồi lại. Nói chính xác hơn để khó tiristo mạch ngoài

nhận dòng điện anốt ngược trong khoảng thời gian ngắn, dòng điện ngược (hình

1.15) tạo nên sự chuyển dịch điện tích tại lớp pn và cho phép hai lớp ngoài khoá tất

cả dòng điện ngược phụ. Cần khoảng thời gian từ 10 đến 100 µs để các hạt mang

điện trong lớp điều khiển phối hợp trở lại, do đó có thể đặt điện áp thuận mà không

bị mồi ngay lập tức.

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn tiristo là:

- Dòng điện định mức In (A)

- Điện áp ngược cực đại Uin. max (V)

- Điện áp rơi ∆U (V)

Hình 1.15

Biến thiên của dòng điện trong quá trình khoá



- Điện áp điều khiển Ug (V)

- Dòng điện điều khiển Ig (mA)

- Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/ µs)

- Tốc độ tăng điện áp dv/dt (V/ µs)

- Dòng điện rò Ico (mA)



8



8