Thyristor SCR trong Công Nghiệp: Cấu Trúc, Nguyên Lý Hoạt Động và Ứng Dụng

Thyristor SCR là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Kể từ khi công nghệ bán dẫn ra đời, việc điều khiển các thiết bị điện công nghiệp đã trở nên đơn giản hơn, nhẹ nhàng hơn và mang lại hiệu suất, hiệu quả cao. Trong số các thiết bị bán dẫn, Thyristor (SCR) đã thay đổi cách thức điều khiển, đặc biệt là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, giúp nó trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn.

Thyristor SCR là gì?

Thyristor SCR là một thiết bị bán dẫn với cấu trúc gồm bốn lớp bán dẫn P-N được ghép xen kẽ và có ba chân kết nối:

Chân A (Anode): Cực dương, đóng vai trò như cực vào của thiết bị.

Chân K (Cathode): Cực âm, đóng vai trò như cực ra của thiết bị.

Chân G (Gate): Cực điều khiển, được điều khiển bằng tín hiệu để bật thiết bị (controlled). Khi chân Gate nhận được tín hiệu, Thyristor (SCR) hoạt động như một diode chỉnh lưu (rectifier).

Cấu trúc Thyristor (SCR) có thể được xem như sự kết hợp của hai transistor bipola NPN và PNP như được minh họa trong hình vẽ sau:

Thyristor SCR là gì?

Phân loại Thyristor SCR

Các loại Thyristor được phân loại dựa trên khả năng bật và tắt của chúng:

Thyristor điều khiển silic hoặc SCR (Silicon Controlled Rectifier): Đây là loại Thyristor cơ bản, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp để điều khiển dòng điện điều chỉnh được.

Thyristor cổng tắt hoặc GTO (Gate Turn-Off Thyristor): Loại này có khả năng tắt điện áp cung cấp vào cổng của nó, cho phép tắt Thyristor một cách điều khiển. Điều này giúp giảm thiểu mất công suất và tăng tính linh hoạt trong việc điều khiển.

Thyristor cực phát tắt hoặc ETOs (Emitter Turn-Off Thyristor): Loại này có khả năng tắt từ cực phát, giúp giảm thiểu mất công suất và nâng cao khả năng kiểm soát trong quá trình bật/tắt.

Thyristor dẫn điện ngược hoặc RCT (Reverse Conducting Thyristor): Loại này kết hợp chức năng của một Thyristor và một diode dẫn ngược. Nó cho phép dòng điện chạy qua trong cả hai hướng, giúp giảm kích thước và đơn giản hóa hệ thống.

Thyristor Triode hai chiều hoặc TRIAC (Triode for Alternating Current): Đây là loại Thyristor hai chiều, có thể điều khiển dòng điện xoay chiều. TRIAC được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển đèn sáng, ổn áp và điều khiển tải xoay chiều.

Thyristor MOS tắt hoặc MTO (MOS-Controlled Thyristor): Loại này kết hợp giữa Thyristor và MOSFET, cho phép điều khiển dòng điện thông qua cổng MOSFET. Điều này tăng khả năng kiểm soát và giảm mất công suất.

Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc BCT (Bidirectional Control Thyristor): Đây là loại Thyristor có khả năng điều khiển dòng điện xoay chiều và xoay ngược chiều.

Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCS (Silicon-Controlled Switch): Loại này có thời gian chuyển trạng thái nhanh, giúp thực hiện các chức năng chuyển đổi nhanh chóng và chính xác.

Bộ điều chỉnh silicon được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier): Đây là một loại Thyristor được kích hoạt bằng ánh sáng. Sự chiếu sáng lên LASCR sẽ tạo ra dòng điện điều khiển và kích hoạt chuyển trạng thái của nó.

Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs (Field-Effect Transistor-Controlled Thyristor): Loại này kết hợp chức năng của Thyristor và transistor điều khiển hiệu ứng lĩnh vực (FET). Transistor FET được sử dụng để kiểm soát hoạt động của Thyristor, cung cấp khả năng điều khiển cao và giảm thiểu mất công suất.

Thyristor tích hợp cổng hoặc IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor): Đây là loại Thyristor tích hợp cổng điều khiển và được thiết kế đặc biệt để tắt một cách nhanh chóng và an toàn. IGCT thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp có yêu cầu chuyển đổi nhanh và khả năng chịu tải cao.

Các loại Thyristor trên đây cung cấp sự linh hoạt và khả năng điều khiển đa dạng trong các ứng dụng công nghiệp và điện tử. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các quá trình điều khiển chính xác, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Sự phát triển và ứng dụng của các loại Thyristor này đã mang lại những cải tiến đáng kể trong công nghệ điều khiển và tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các ngành công nghiệp khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của Thyristor SCR

Nguyên lý hoạt động Thyristor

Thyristor (SCR) là một loại bán dẫn có khả năng điều khiển lưu lượng điện qua nó. Nguyên lý hoạt động của Thyristor dựa trên hiện tượng điện tử trong chất bán dẫn, khiến nó có thể chuyển đổi từ trạng thái tắt sang trạng thái bật và ngược lại chỉ bằng một xung điện kích thích. Một khi Thyristor chuyển sang trạng thái bật, nó sẽ duy trì trạng thái này cho đến khi dòng điện đi qua nó giảm xuống dưới một mức xác định.

Thông số kỹ thuật của Thyristor( SCR)

Dòng điện thuận cực đại (Ith): Đây là giá trị tối đa của dòng điện liên tục mà Thyristor (SCR) có thể chịu đựng mà không bị hỏng. Khi Thyristor (SCR) đang dẫn điện, điện áp trên VAK khoảng 0,7V, do đó dòng điện thuận có thể được tính bằng công thức:

Ith = VAK / R

Trong đó, VAK là điện áp trên Thyristor (SCR) và R là giá trị điện trở nối dòng điện thuận.

Điện áp ngược cực đại (VDRM): Đây là giá trị lớn nhất của điện áp ngược mà có thể được áp dụng giữa cổng (A) và kích (K) mà Thyristor (SCR) không bị đánh thủng. Nếu vượt quá giá trị này, Thyristor (SCR) sẽ bị hỏng. Điện áp ngược cực đại của SCR thường dao động từ 100V đến 1000V.

Dòng điện kích cực tiểu (IGmin): Để Thyristor (SCR) có thể dẫn điện trong trường hợp điện áp VAK thấp, cần có dòng điện kích cho cổng G của Thyristor (SCR). Dòng IGmin là giá trị dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển Thyristor (SCR) dẫn điện. Giá trị của IGmin phụ thuộc vào công suất của Thyristor (SCR). Thông thường, IGmin nằm trong khoảng từ 1mA đến vài chục mA.

Thời gian mở Thyristor (SCR): Đây là thời gian cần thiết hoặc độ rộng xung kích để Thyristor (SCR) chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn. Thời gian mở khoảng vài micro giây.

Thời gian tắt: Theo nguyên lý, Thyristor (SCR) sẽ tiếp tục duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích. Để chuyển Thyristor (SCR) từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt, cần đưa IG về 0 và đảm bảo VAK = 0. Để Thyristor (SCR) có thể tắt, thời gian VAK = 0 phải đủ dài. Nếu không, VAK sẽ tăng lên cao và Thyristor (SCR) sẽ tiếp tục dẫn điện. Thời gian tắt của Thyristor (SCR) thường là vài chục micro giây.

Ưu nhược điểm của Thyristor (SCR)

Ưu nhược điểm của Thyristor SCR

Ưu điểm:

Có khả năng xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn, cho phép áp dụng trong các ứng dụng công nghiệp có yêu cầu cao.

Có thể được bảo vệ bằng cầu chì, giúp đảm bảo an toàn và bảo vệ thiết bị khỏi quá tải.

Dễ bật: Thyristor (SCR) có thể được kích hoạt bằng một xung điện ngắn, điều này rất tiện lợi trong quá trình điều khiển.

Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) đơn giản: Vì có cấu trúc đơn giản, việc điều khiển Thyristor (SCR) thông qua mạch kích hoạt sử dụng silicon là rất dễ dàng và hiệu quả.

Đơn giản để kiểm soát: Thyristor (SCR) có phản hồi nhanh và khả năng điều chỉnh dòng điện đáng tin cậy, cho phép kiểm soát chính xác trong quá trình điều khiển.

Chi phí thấp: So với các thiết bị điện tử điều khiển công suất khác, Thyristor (SCR) có chi phí thấp, là một lựa chọn kinh tế trong các ứng dụng công nghiệp.

Có thể điều khiển nguồn xoay chiều: Mặc dù Thyristor (SCR) là thiết bị một chiều, nhưng nó có khả năng điều khiển nguồn xoay chiều thông qua kỹ thuật chuyển đổi và điều khiển phù hợp.

Nhược điểm:

Thyristor (SCR) chỉ có thể điều khiển công suất bằng nguồn một chiều trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều. Do đó, nó giới hạn trong việc điều khiển nguồn xoay chiều và không thể điều khiển công suất trong nửa chu kỳ âm.

Trong mạch xoay chiều, Thyristor (SCR) cần được bật trên mỗi chu kỳ, điều này có thể tạo ra một số rắc rối và độ trễ trong quá trình điều khiển.

Không thể sử dụng ở tần số cao: Thyristor (SCR) không phù hợp cho các ứng dụng với tần số cao vì giới hạn trong quá trình bật/tắt và thời gian phản hồi.

Ứng dụng của bộ điều khiển Thyristor SCR

Ứng dụng của Thyristor (SCR) rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Nó được sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, điều khiển đèn sáng, tạo xung điện trong vi mạch, và cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch và nguồn điện biến tần.

Nhờ Thyristor (SCR), việc điều khiển các thiết bị điện công nghiệp đã trở nên dễ dàng hơn, mang lại hiệu suất cao và hiệu quả đáng kể.

Thay vì phải dùng các phương pháp truyền thống và phức tạp để điều khiển các thiết bị điện công nghiệp, Thyristor (SCR) đã mở ra một cách tiếp cận mới và tiện lợi. Sự kết hợp giữa công nghệ bán dẫn và nguyên lý hoạt động độc đáo của Thyristor đã đem lại những lợi ích to lớn cho việc điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều và các ứng dụng khác.