B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
Líp ph¸t E cã c−êng ®é t¹p chÊt lín nhÊt, líp gèc B cã nång ®é t¹p chÊt
nhá nhÊt. §Ó ph©n biÖt víi c¸c lo¹i tranzito kh¸c, tranzito PNP vµ NPN cßn
gäi lµ tranzito l−ìng nèi viÕt BJT (Bipolar Juntion Tranzito).
1.2.1 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng
Trong ®iÖn tö c«ng suÊt ng−êi ta dïng phæ biÕn nhÊt lo¹i tranzito NPN.
tranzito c«ng suÊt ®−îc dïng ®Ó ®ãng ng¾t dßng ®iÖn mét chiÒu c−êng ®é
t−¬ng ®èi lín, v× vËy chóng chØ lµm viÖc ë hai tr¹ng th¸i ®ãng vµ tr¹ng th¸i
më.
§Ó tranzito lµm viÖc ng−êi ta ph¶i ®−a ®iÖn ¸p mét chiÒu tíi c¸c cùc B
cña tranzito gäi lµ ph©n cùc cho tranzito.
a) b)
H×nh 1.10: S¬ ®å ph©n cùc cña tranzito npn (a) vµ pnp (b) ë chÕ ®é khuÕch ®¹i
§Ó ph©n tÝch nguyªn lý lµm viÖc ta lÊy tranzito pnp lµm vÝ dô. Do JE ph©n cùc thuËn nªn c¸c h¹t ®a sè (lç trèng) tõ miÒn E phun qua JE t¹o nªn dßng emit¬ (IE). Chóng tíi vïng baz¬ t¹o thµnh h¹t thiÓu sè vµ tiÕp tôc khuÕch t¸n s©u vµo vïng baz¬ h−íng tíi JC. Trªn ®−êng khuÕch t¸n mét phÇn nhá bÞ t¸i hîp víi h¹t ®a sè cña baz¬ t¹o nªn dßng ®iÖn cùc baz¬ (IB). Do cÊu t¹o miÒn baz¬ máng nªn gÇn nh− toµn bé c¸c h¹t khuÕch t¸n tíi ®−îc bê cña JC vµ bÞ tr−êng gia tèc (do JC ph©n cùc ng−îc) cuèn qua tíi ®−îc miÒn colect¬ t¹o nªn dßng ®iÖn colect¬ (IC). Qua viÖc ph©n tÝch trªn ta cã mèi qua hÖ vÒ dßng ®iÖn trong tranzito: IE= IB + IC (1-3)
§Ó ®¸nh gi¸ møc ®é hao hôt dßng khuÕch t¸n trong vïng baz¬ ng−êi ta
®Þnh nghÜa hÖ sè truyÒn ®¹t dßng ®iÖn α cña tranzito.
11
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
I α= C I
E
(1- 4)
HÖ sè α x¸c ®Þnh chÊt l−îng cña tranzito vµ cã gi¸ trÞ cµng gÇn mét víi
c¸c tranzito lo¹i tèt.
§Ó ®¸nh gi¸ t¸c dông ®iÒu khiÓn cña dßng ®iÖn IB tíi dßng colect¬ (IC),
ng−êi ta ®Þnh nghÜa vÒ hÖ sè khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β cña tranzito.
I β= C I
B
(1- 5)
β th−êng cã gi¸ trÞ trong kho¶ng vµi chôc ®Õn vµi tr¨m.
Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta cã mèi quan hÖ gi÷a c¸c hÖ sè:
IE= IB(1+β) (1- 6)
1
β β+
(1- 7) vµ α =
−u ®iÓm næi bËt cña tranzito lµ chØ cÇn ®iÒu khiÓn dßng IB lµ cã thÓ ®iÒu
khiÓn cho tranzistor ®ãng ng¾t dÔ dµng.
1.2.3 C¸ch thøc ®iÒu khiÓn tranzito
Gäi IC lµ dßng colect¬ chÞu ®−îc ®iÖn ¸p b·o hoµ VCEsat khi tranzito dÉn
dßng b·o hoµ IB= IBbh vµ khi kho¸ IB= 0; VCEsat=VCE. + M¹ch trî gióp tranzito më
Khi tranzito chuyÓn tõ tr¹ng th¸i ®ãng sang tr¹ng th¸i më. M¹ch trî
gióp bao gåm c¸c phÇn tö tô ®iÖn (C), ®iÖn trë (R2), ®i«t(D2)
12
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
H×nh 1.11: M¹ch trî gióp tranzito më
tf: thêi gian cÇn thiÕt ®Ó IC tõ gi¸ trÞ max gi¶m xuèng 0 Dßng ®iÖn t¶i I lµ thêi gian chuyÓn m¹ch cña tranzito rÊt ng¾n vËy cho
nªn dßng t¶i = const.
S¬ kiÖn: VCE = 0 IC = I
ID = 0 (1- 8) Khi cho xung ¸p ©m t¸c ®éng vµo cùc gèc baz¬ cña tranzito dßng IC gi¶m xuèng kh«ng trong kho¶ng thêi gian tf. NÕu kh«ng cã m¹ch trî gióp ta cã: I = IC + ID = const (1-9)
U I t . .
f
W = T
Khi gi¶m IC th× ID T¨ng lªn ngang D1 sÏ lµm ng¾n m¹ch t¶i n¨ng l−îng tiªu t¸n bªn trong tranzito sÏ lµ:
2
(1-10)
ChÝnh v× vËy ta ph¶i m¾c thªm m¹ch trî gióp më cho trazito.
I= IC ≈ ID = const
I
I
C
=
Khi IC b¾t ®Çu gi¶m th× I1 còng b¾t ®Çu t¨ng(IC vµ I1 phi tuyÕn víi nhau, lóc nµy tô ®iÖn C ®−îc n¹p ®iÖn)
d Vc d
− C
t
(1-11)
13
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
Khi t = tf ; Ic = 0 Vc (tf)= V0 = VCE << VCC
t
= (1-12) d Vc d I C
Sau thêi gian tf tô C ®−îc n¹p b»ng dßng I, cho ®Õn khi Vc = VCE lóc nµy
D1 cho dßng ch¹y qua, thêi gian tæng céng cña qu¸ tr×nh chuyÓn sang tr¹ng
th¸i më lµ tc.
I C
C
= =
≈
I 1
dv CE dt
U t
F
C
=
§iÖn dung ®−îc tÝnh gÇn ®óng b»ng c«ng thøc:
FIt U
(1- 13) ⇒
Trong thùc tÕ ng−êi ta chän C trong kho¶ng. 2tf ≤ tF ≤ 5tf
+ M¹ch trî gióp ®ãng tranzito
L
H×nh 1.12: M¹ch trî gióp ®ãng tranzito
Khi tranzito tõ tr¹ng th¸i më sang tr¹ng th¸i ®ãng m¹ch trî gióp ®ãng
cña tranzito gåm c¸c phÇn tö cuén c¶m (L), ®i«t(D3), ®iÖn trë (R3) cã chøc 14
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
n¨ng h¹n chÕ sù t¨ng vät cña dßng IC trong kho¶ng thêi gian ®ãng Ton cña
tranzito.
Ton: lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó VCE gi¶m tõ ®iÖn ¸p nguån VCC xuèng VCE≈ 0.
L
L
=
U L =
=
L ⇒ =
Thêi gian tæng céng cho qóa tr×nh ®ãng lµ tf. ®iÖn c¶m L ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
I R
UR I
di dt
i Δ t Δ
(1- 14)
§Ó chän L ta chän thêi gian ®ãng tr trong kho¶ng: 2ton < tr < 5ton
§iÖn trë R4 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng do søc ®iÖn ®éng tù c¶m trong cuén c¶m (L) t¹o ra trong m¹ch L; D5; R4 trong kho¶ng thêi gian tc chuyÓn sang tr¹ng th¸i më cña tranzito.
Nh− vËy tc ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn.
>
t c
(1-15)
i R 4
§iÖn trë R5 cã t¸c dông h¹n chÕ dßng ®iÖn phãng cña tô ®iÖn C trong m¹ch víi kho¶ng thêi gian ®ãng tf. Ta cã D6: T¹o m¹ch ®èi víi xung ¸p d−¬ng ®Æt vµo cùc gèc baz¬
D5: h¹n chÕ dßng ®iÒu khiÓn cho cùc gèc (baz¬) D4: Dïng ®Ó chèng b·o hoµ 1.2.4 øng dông cña tranzito c«ng suÊt
+ M¹ch khuÕch ®¹i
H×nh: 1.13: Tranzito lµm viÖc ë chÕ ®é khuÕch ®¹i
- Trong thùc tÕ tranzito th−êng ®−îc lµm viÖc ë chÕ ®é kho¸
- Khi dßng ë cùc gèc b»ng kh«ng dßng ®iÖn cùc ghãp b»ng kh«ng,
15
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
tranzito lóc nµy hë m¹ch hoµn toµn.
- Khi dßng ®iÖn ë cùc gèc cã gi¸ trÞ b·o hoµ th× tranzito trë vÒ tr¹ng th¸i
dÉn hoµn toµn.
1.2.5 C¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tranzito
β cã trÞ sè thay ®æi theo dßng IC. Khi dßng IC nhá th× β thÊp, dßng IC
- §é khuÕch ®¹i dßng ®iÖn β
t¨ng th× β t¨ng ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i nÕu tiÕp tôc t¨ng IC ®Õn møc b·o hoµ th× β
C
gi¶m.
β= (1-16)
I I
B
- Dßng ®iÖn giíi h¹n
Dßng ®iÖn qua tranzito ph¶i ®−îc giíi h¹n ë møc cho phÐp nÕu qu¸ trÞ
sè th× tranzito sÏ bÞ h−.
ICmax : lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc colect¬
IBmax: lµ dßng ®iÖn tèi ®a ë cùc baz¬
- §iÖn thÕ giíi h¹n
§iÖn thÕ ®¸nh thñng BV (breakdown Voltage) lµ ®iÖn thÕ ng−îc tèi ®a
®Æt vµo gi÷a c¸c cÆp cùc.
- TÇn sè c¾t
TÇn sè thiÕt ®o¹n (f cut- off) lµ tÇn sè mµ tranzito hÕt kh¶ n¨ng khuÕch
®¹i lóc ®ã ®iÖn thÕ ngâ ra b»ng ®iÖn thÕ ngâ vµo.
B¶ng 1.2 Giíi thiÖu mét sè lo¹i tranzito
16
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
μs
μs
μs W
I VCE VCE0 VCE,sat tf ton ts Pm IC M· hiÖu V V V A A
BUV, (BUX)20 160 125 1,2 50 5 0,3 1,5 1,2 250
(50)
21 250 200 1,5 40 3 0,12 1,8 1,2 50
22 300 250 1,5 40 2,5 0,5 1,3 2 50
23 400 325 1 30 3,2 1,2 1,3 2,5 50
24 450 400 1 20 2,4 1,4 1,6 3 50
BUT 90 200 125 1,2 50 7 0,4 1,2 1,5 250
91 300 200 1,2 50 4 0,3 1 1,5 250
BUX 47 850 400 1,5 9 1,2 0,8 1 3 125
47A 1000 450 1,5 9 1 0,8 1 3 125
48 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175
48A 850 400 1,5 15 2 0,8 1 3 175
98 850 400 1,5 30 4 0,8 1 3 250
98C 1200 700 1,5 30 3 0,8 1 3 250
ESM 3000 200 100 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400
3001 200 150 1,5 150 15 0,5 1,5 1,8 400
3002 250 200 1,5 140 28 0,7 1,5 2 400
3004 600 400 1,5 120 13 1 1,5 3,5 400
3005 600 500 1,5 120 10 1 1,5 3,5 400
3006 1000 600 1,5 50 7 1,5 1,5 5 300
3007 1000 700 1,5 50 6 1,5 1,5 5 300
1.3 Thyristor
1.3.1 CÊu t¹o
17
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
Thyristor cßn ®−îc gäi lµ SCR (Silicon controlled Rectifier) bé n¾n ®iÖn
®−îc ®iÒu khiÓn b»ng chÊt silicum.
Thyristor lµ linh kiÖn b¸n dÉn gåm b¸n dÉn gåm 4 líp P- N- P- N ghÐp
nèi tiÕp t¹o nªn 3 cùc Anode ký hiÖu lµ A d−¬ng cùc, Catode ký hiÖu lµ K ©m
cùc vµ cùc Gate ký hiÖu lµ G lµ cùc ®iÒu khiÓn hay cùc cöa.
J1, J2, J3 lµ c¸c mÆt ghÐp.
a
b
c c H×nh 1.14: Thyristor a- S¬ ®å cÊu tróc bªn trong
b- Ký hiÖu c- C¸c lo¹i thyristor
1.3.2 Nguyªn lý lµm viÖc
Tïy theo c¸ch nèi cña A vµ K cña thyristor víi nguån ®iÖn mét chiÒu
mµ thyristor cã thÓ ®−îc ph©n ¸p ng−îc hay ph©n ¸p thuËn.
Khi ph©n ¸p ng−îc (an«t nèi víi cùc ©m nguån, cat«t nèi víi cùc d−¬ng
nguån) nh− h×nh1.15 th× líp ph©n cùc J2 ph©n cùc thuËn (®iÖn trë rÊt nhá)
nh−ng c¸c líp tiÕp xóc J1 vµ J3 l¹i ph©n cùc ng−îc (®iÖn trë rÊt lín) kh«ng cã
dßng ®iÖn qua tõ K sang A. Phô t¶i (bãng ®Ìn) kh«ng cã dßng ®iÖn ch¶y qua
vµ kh«ng s¸ng. Thùc sù th× vÉn cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá, kh«ng ®¸ng kÓ cì
vµi mA. §Æc tÝnh V- A khi ph©n ¸p ng−îc lµ nh¸nh thuéc gãc phÇn t− thø III. 18
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
Khi ®iÖn ¸p ng−îc t¨ng ®Õn mét trÞ sè nµo ®ã ®ñ lín (Uct) th× thyristor
bÞ chäc thñng gièng nh− tr−êng hîp cña ®i«t vµ kÕt qu¶ lµ dßng ®iÖn ng−îc
t¨ng lªn rÊt nhanh vµ m¹nh.
Khi ph©n ¸p thuËn (an«t nèi víi cùc d−¬ng nguån, cat«t nèi víi cùc ©m
nguån) nh− h×nh 1.15 th× c¸c líp J1 vµ J3 ®−îc ph©n cùc thuËn, ®iÖn trë rÊt
nhá, nh−ng líp J2 l¹i bÞ ph©n cùc ng−îc, cã ®iÖn trá rÊt lín. Do vËy, tr−êng
hîp nµy còng chØ cã mét dßng ®iÖn rß rÊt nhá ch¶y qua líp J2 (thuéc gãc phÇn
t− thø I).
H×nh 1.15: S¬ ®å ph©n ¸p ng−îc vµ thuËn cña mét thyristor
Thyristor kh¸c víi ®i«t ë chç: ®i«t dÉn ®iÖn ngay sau khi ph©n ¸p thuËn,
cßn thyristor cã ph©n ¸p thuËn còng ch−a dÉn ®iÖn. Muèn cho thyristor th«ng
khi cã ph©n ¸p thuËn cÇn ph¶i cã ®iÒu kiÖn. §iÒu kiÖn g×? §ã lµ ph¶i cÊp mét
xung ¸p d−¬ng vµo cùc ®iÒu khiÓn G khi thyristor ®−îc ph©n ¸p thuËn. Xung
d−¬ng ®iÒu khiÓn cã thÓ ®−îc t¹o ra mét c¸ch ®¬n gi¶n nhê ®ãng c«ng t¾c K ë
H×nh 1.16
19
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46
H×nh 1.16: S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn thyristor
Khi ®ã, líp tiÕp xóc J3 ®−îc ph©n ¸p thuËn thªm trùc tiÕp bëi nguån Eg nªn dßng ®iÖn qua líp J3 t¨ng m¹nh. C¸c ®iÖn tö tõ c¸c nguån ngoµi qua N2 chuyÓn dÞch sang P2 víi ®éng n¨ng lín. Mét phÇn vÒ cùc G h×nh thµnh dßng ®iÒu khiÓn Ig, phÇn kh¸c lín h¬n, v−ît qua líp J2 vµo N1 råi qua P1 vÒ nguån t¹o ra dßng Ia. Khi c¸c ®iÖn tö líp J2 víi ®éng n¨ng lín sÏ b¾n ph¸ c¸c nguyªn tö trung hßa trong líp tiÕp xóc, t¹o ra c¸c ®iÖn tö tù do kh¸c. Sè ®iÖn tö míi
l¹i b¾n ph¸ tiÕp c¸c nguyªn tö trung hßa kh¸c.... cø nh− thÕ, sè ®iÖn tö tù do
t¨ng lªn rÊt nhanh, sè c¸c phÇn tö dÉn ®iÖn t¨ng vät, ®iÖn trë trong cïng ®iÖn
tr−êng rµo thÕ gi¶m m¹nh vµ dßng ®iÖn qua thyristor t¨ng vät. §iÓm lµm viÖc
chuyÓn tõ T1 sang T2 råi T h×nh 1.17. Thyristor ë tr¹ng th¸i th«ng. TrÞ sè dßng ®iÖn Ia phô thuéc vµo ®iÖn trë trong m¹ch phô t¶i (ë h×nh:
1.16 dßng Ia phô thuéc vµo ®iÖn trë cña bãng ®Ìn). Khi thyristor th«ng ®iÖn trë trong R13 cña nã rÊt nhá (cì vµi phÇn trôc
hoÆc phÇn tr¨m cña mét «m) nªn sôt ¸p ΔU13 kh«ng ®¸ng kÓ (kh«ng qu¸ 1V). Khi thyristor ®· th«ng, dßng ®iÒu khiÓn kh«ng cßn t¸c dông g× v× cã c¾t
dßng ®iÒu khiÓn th× thyristor vÉn th«ng. Nguyªn do v× dßng Ia qua líp J2 sÏ tiÕp tôc lµm ®iÖn trë líp J2 gi¶m thÊp vµ duy tr× sù dÉn ®iÖn. Qua líp nµy tõ N1 sang P2. NÕu khi cho xung dßng ®iÒu khiÓn vµo cùc G ®Ó kÝch th«ng thyristor
mµ ®iÖn ¸p thuËn gi¶m thÊp, ®o¹n OT1 trë thµnh OT’1, OT”1.... Th× cÇn ph¶i t¨ng dßng ®iÒu khiÓn lín h¬n I”®k1 > I’®k1> I®k1. Khi dßng ®iÒu khiÓn t¨ng tíi 20
