236 Mục đích: Tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động của các bộ ghép quang,
Thyristor và Triac, các mạch ứng dụng của nó.

phần lý thuyết

1. Các bộ ghép quang (Opto- couplers)
Trong hệ thống tự động điều khiển công suất thờng có điện áp cao
khoảng 200V ữ 380V, có trờng hợp lên tới 660V hay 1000V. Trong khi các
mạch điều khiển thờng lại có điện áp thấp nh các mạch điện tử tơng tự, mạch
logic, máy tính hoặc các hệ thống phải tiếp xúc với con ngời. Để tạo ra sự cách
điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất có sự khác biệt lớn về điện áp
ngời ta chế tạo ra các bộ ghép quang.
1.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các bộ ghép quang.
Bộ ghép quang gồm có hai phần gọi là sơ cấp và thứ cấp - Phần sơ cấp là
một diode loại GaAs phát ra tia hồng ngoại, phần thứ cấp là một quang transistor
loại Silic. Khi đợc phân cực thuận, diode phát ra bức xạ hồng ngoại chiếu lên
quang transistor.
Bộ ghép quang hoạt động theo nguyên lý: Tín hiệu điện điều khiển LED
hồng ngoại (còn gọi là phần phát) tạo thành tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng
đợc chiếu vào quang transistor (còn gọi là phần nhận) để tạo thành tín hiệu điện.
1.2. Đặc trng kỹ thuật
- Bộ ghép quang đợc dùng để cách điện giữa hai mạch điện có điện áp
cách biệt lớn.
Điện áp cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp thờng từ vài trăm vôn đến hàng

4
1
2
3Hình 13.1a: Các bộ ghép quang Transistor

Bộ ghép quang không có cực B có u điểm là hệ số khuếch đại khá lớn,
tuy nhiên loại này có nhợc điểm là độ ổn định nhiệt kém.
Đối với bộ ghép quang transistor có cực B, nếu nối giữa cực B và cực E
một điện trở thì làm việc khá ổn định với nhiệt độ nhng hệ số truyền đạt giảm.
b) Bộ ghép quang Dalingtơn - transistor
.
Bộ ghép quang Dalingtơn - transistor có nguyên lý nh bộ ghép quang
transistor nhng với hệ số truyền đạt lớn hơn vài trăm lần nhờ tính chất khuếch
đại của mạch Dalington.
Bộ ghép quang loại này là bị ảnh hởng của nhiệt độ rất lớn, nên thờng
đợc chế tạo có điện trở giữa B và E của transistor sau để ổn định nhiệt. Sơ đồ
nguyên lý đợc trình bày ở hình 13.2a.
1
2
3
6
5
4Hình 13.2a: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép quang Dalingtơn - transistor.


4
1
2
3
G o
o T
2
o T
1

Hình 13.4a: Ký hiệu và cấu trúc của OPTO -Triac

239
Bộ ghép quang Triac về sơ đồ cấu trúc gồm 2 bộ ghép quang Thyristor
mắc song song ngợc nhau.
1.4. ứng dụng của bộ ghép quang.
Các bộ ghép quang có dòng điện ở sơ cấp cho LED hồng ngoại khoảng
10mA.
Đối với bộ ghép quang transistor khi thay đổi trị số dòng điện qua LED
hồng ngoại ở sơ cấp sẽ làm thay đổi dòng điện ra Ic của photo transistor ở thứ
cấp.
Bộ ghép quang có thể dùng thay cho rơle hay biến áp xung để giao tiếp
với tải thờng có điện áp cao và dòng điện lớn.
Hình 13.5a là ứng dụng của bộ ghép quang transistor để điều khiển đóng
ngắt rơle.
Quang tranzistor trong bộ ghép quang đợc ghép Dalington với transistor
công suất bên ngoài, khi LED hồng ngoại ở sơ cấp đợc cấp nguồn 5V thì quang
transistor dẫn điều khiển transistor công suất dẫn cấp điện cho rơle RY. Điện trở
330 để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA.
RY


2. Tiristo (Thyristo)
Tiristo (Thyristo) hoặc gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier) là linh
kiện điện tử công suất có điều khiển do phòng thí nghiệm Bell Telephone sáng
chế.
2.1. Cấu tạo của Tiristo
Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp (hình 13.7a) gồm 3
cực: anôt A, catốt K, và cực điều khiển G (Gate).
P
1
N
1
P
2
N
2
o A
o G
o K
o A
o K
o GHình 13.7a: Cấu trúc và ký hiệu Tiristo

Về cấu trúc, Tiristo đợc tạo nên từ 1 đĩa silic đơn tinh thể loại N có điện
trở suất cao. Trên lớp điện bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm. Các
chuyển tiếp đợc tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi của gali, lớp tiếp xúc giữa anôt và
catốt làm bằng đĩa molipđen, hay tungsten có điểm nóng chảy gần bằng silic.

PNPN nh gồm 2 transistor mà base của transistor này nối với collector của
transistor kia (hình 13.9a).
G o
N
1
P
2
N
2
P
1
K o
A o
N
1
P
2
N
2
P
1
G o
K o
A o
N
1
P
2
I
E2

;
1

là hệ số khuếch
đại dòng điện T
1
.
Tơng tự đối với transistor T
2
là loại NPN ta có:
ACBC
III
2022

+
=
ở đây
02CB
I là dòng điện ngợc giữa collector và base của T
2
;
2

là hệ số khuếch
đại dòng điện T
2
.
Dòng điện tổng cộng chạy qua Tiristo là:
020121
)(

tới không.
Nh vậy khi phân cực thuận, đầu tiên
1
21
<
+


tiristo vẫn tiếp tục
khoá, dòng điện I
A
bằng dòng điện rò (ngợc).
Khi
1
21
=+


, mẫu số tiến tới không, dòng I
A
tăng đột ngột, tiristo
đợc mồi và trở nên dẫn điện tơng tự nh điôt phân cực thuận.
Một trong những tính chất cơ bản của transistor silic là hệ số khuếch đại
dòng điện tăng theo dòng emitter. Do đó có hai khả năng mồi tiristo.
a) Tăng điện áp phân cực thuận.
Bằng cách tăng điện áp phân cực thuận, điện áp trên các lớp chuyển tiếp
tăng lên, các điện tích đợc tăng thêm năng lợng, tạo nên hiện tợng va chạm
dây chuyền làm cho tiristo trở nên dẫn điện. Trị số điện áp U
B
tại đó tiristo trở

điện áp thuận nhỏ hơn (hình 13.11a).
Khi tăng dòng điện điều khiển I
G
các điểm chuyển trạng thái của tiristo lùi
về bên trái ứng với điện áp thuận nhỏ hơn. Khi I
G
đạt tới giá trị đủ lớn thì ngay
lập tức tiristo đợc mồi. Khi tiristo đã đợc mồi, nghĩa là chuyển sang trạng thái
dẫn, thì cực điều khiển G không còn tác dụng. Tiristo chỉ chuyển sang trạng thái
khoá khi dòng I
A
nhỏ hơn 1 trị số gọi là dòng điện duy trì I
H
(holding current) và
cần một khoảng thời gian đủ để lớp điều khiển phục hồi lại trạng thái ban đầu.
Nói cách khác muốn khoá đợc tiristo phải triệt tiêu đợc dòng điện ngợc.
I
A
U
B0
U
A-K
I
H
I
G2
I
G1
I
G

việc trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều.
3.1. Cấu tạo của triac
Triac là một linh kiện bán dẫn tơng tự nh 2 tiristo nối song song ngợc,
đợc thực hiện trên cùng một đơn tinh thể silic gồm hai cực và một cực điều
khiển (hình 13.12a).
P
1
N
1
N
2
N
3
N
4
G o o T
2
o T
A
o T
2
o T
1
o
U
GT
U
T
P2


245
3.2. Đặc tính tĩnh.
Hình 13.13a trình bày đặc tính
)(
TT
UfI
=
khi cha sử dụng cực điều
khiển.
Khi U
T
dơng tổ hợp N
1
, P
1
, N
2
, P
2
hoạt động nh tiristo thứ nhất, nó sẽ
dẫn khi điện áp U
T
đạt đến điện áp U
B0
của chuyển tiếp N
2
, P
2
phân cực ngợc.
Khi U

T
âm nhiều.
I
t
U
B0
U
T
I
H (+)
- U
B0
I
H (
-
)Hình 13.13a: Đặc tính )(
TT
UfI
=
của Triac
3.3. Mồi triac (kích triac)
Đa một xung dơng hoặc âm vào cực điều khiển sẽ mồi triac, điện áp
trên các cực U
T
có thể dơng hoặc âm. Có bốn chế độ mồi tuỳ theo cực tính điện
áp của T
1

Tiristo P
1
, N
2
, P
2
, N
4
, chuyển tiếp P
2
N
2
phân cực ngợc, chuyển tiếp P
2
N
3

phân cực thuận, các điện trở ở vùng N
3
khuếch tán sang P
2
gây ra hiệu ứng thác
lũ ở P
2
N
2
gần N
3
. Điện trở bán dẫn trong vùng này giảm và điện áp của P
2
0
21
>
TT
U , 0
2.
<
TG
U

0
21
>
TT
U , 0
2.
>
TG
U

21
<
TT
U , 0
2.
>
TG
U
Hình 13.14a: Bốn chế độ mồi triac.

- Góc phần t thứ ba : U
T
âm , U
G.T2
âm .
Tiristo bây giờ là P
2
, N
2
, P
1
, N
1
. Do ảnh hởng U
G.T2
vùng N
3
khuếch tán
vào P
2

1
, bây giờ đợc duy trì bởi phía trái của
chuyển tiếp N
4
P
2
phân cực thuận.
Cũng tơng tự tiristo, khi cực cửa có dòng điện kích, triac chuyển từ trạng
thái khoá sang trạng thái mở ở điện áp thấp hơn. ứng dụng của triac làm chuyển
mạch cấp dòng cho tải.
P
1N
2

N
3
N
4
o G
o T
2

P
2
2
P
1

o T
2
o T
1

P
2
3
N
1
P
1 o T
1

N
2 N
4
+ o G
o
T
2
P
2
4

+
và
V
15 0

. Khi vặn các biến
trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế
DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt.
Chú ý
: cắm đùng phân cực của nguồn và đồng hồ đo.
C. Các bài thực tập
1. Bộ liên kết quang (OPTOCOUPLER)
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ liên kết quang.
Các bớc thực hiện:
1.1. Cấp nguồn +12 cho mảng sơ đồ A13- 1.
1.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở
cmV1 , thời gian quét ở
cmms1,0
. Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn
dao động ký.
1.3. Nối nguồn AC ~9V với biến trở 10K của thiết bị chính:
- Nối chốt ~9V của nguồn AC SOURCE với chốt rìa trái của biến trở 10K
của thiết bị chính. Chốt ~0V nối với chốt rìa phải của biến trở .

248
- Nối điểm giữa của biến trở với lối vào A/ IN1 sơ đồ A13-1. Chốt ~0V
nối với lối vào B/ IN1 của sơ đồ A13-1.
- Điều chỉnh biến trở 10K/ của thiết bị chính để tín hiệu AC tại Vi /IN ~2V
Chú ý

Khoảng đo đặt ở 20mA.
- Đồng hồ đo dòng ra: Bộ đo hiện số DIGITAL V-A METER của thiết bị
chính đặt ở chế độ đo dòng (A) và khoảng đo đặt ở 200 mA. Nối bộ đo hiện số
với đồng hồ đo dòng mA (E) của mạch A13- 2.
- Đồng hồ đo thế ra: Nối chốt đồng hồ đo V của mạch hình 13- 2 với đồng
hồ đo thế hiện số DIGITAL VOLTMETER của thiết bị chính. Khoảng đo đặt ở
20V.
2.3. Nối thyristor từ mảng A13- 2: G G, E A, F K.
2.4. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là âm. Ghi giá trị dòng
và thế ra. Nhận xét trạng thái hoạt động của Thyristor khi điều khiển bằng dòng
phân cực âm.
2.5. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là dơng I(G)
1
=
mA. Vặn biến trở chỉnh nguồn 0 +15V để tăng dần V. ứng với mỗi giá trị V,

250
ghi giá trị dòng I(mA) và sụt thế U(A) tơng ứng trên Thyristor vào bảng A13- 1.
Bảng A11- 1
V
I

2.6. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là dơng I(G)
2
=
mA. Lặp lại bớc 5 để đo đặc trng Volt-Ampere của Thyristor theo dòng I(G)
2

vào bảng A13- 2.
Bảng A11- 2

F A2.
3.4. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là âm I(G)
1
= - mA.
Vặn biến trở chỉnh nguồn 0 +15V để tăng dần V. ứng với mỗi giá trị V, ghi giá
trị dòng I(A) và sụt thế U(A) tơng ứng trên Triăc vào bảng A13- 3.
Bảng A11- 3
V
I

3.5. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là dơng I(G)
2
=
mA. Vặn biến trở chỉnh nguồn 0 +15V để tăng dần V. ứng với mỗi giá trị V,
ghi giá trị dòng I(A) và sụt thế U(A) tơng ứng trên Triac vào bảng A13- 4.
Bảng A11- 4
V
I

3.6. Vặn biến trở P1 để dòng điều khiển lối vào G là âm I(G)
3
= - mA.
Nối chốt V với nguồn 0 -15V. Vặn biến trở chỉnh nguồn để tăng dần V. ứng
với mỗi giá trị V, ghi giá trị dòng I(A) và sụt thế U(A) tơng ứng trên Triac vào
bảng A13- 5.

252
Bảng A11- 5
V
I

4.3. Nối Thyristor:
- Nối H và I (lối ra biến thế TF1) với các chân K và G của Thyristor.
- Nối chân K của Thyristor với chốt V2 của mảng đèn.

253
4.4. Nối tải:
- Nối các chốt của nguồn xoay chiều (~ 9V ~ 0V) với các chốt V1 và V2
của sơ đồ A13- 3.
- Nối chân của Thyristor với chốt L2 của mảng A13- 3.
4.5. Sử dụng dao động ký, quan sát tín hiệu tại các vị trí:
- Tín hiệu vào bộ liên kết quang (IN1/ A-B).
- Tín hiệu ra bộ liên kết quang (OUT1).
- Tín hiệu tại điểm C ở lối ra bộ hình thành xung tam giác.
- Tín hiệu ra bộ so sánh IC1- 7. Nếu lối ra không có tín hiệu, cần vặn biến
trở P1 để chọn ngỡng tơng ứng.
- Tín hiệu lối vào CTRL.

254
- Tín hiệu collector T
3
, T
4
.
- Tín hiệu trên G và trên A của Thyristor.
4.6. Dựa trên kết quả quan sát tín hiệu, vẽ giản đồ xung hoạt động của
mạch.
4.7. Thay đổi giá trị P1, quan sát sự thay đổi tín hiệu điều khiển tơng ứng.
Vẽ giản đồ xung tơng ứng.
4.8. Trên cơ sở giản đồ xung, giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch
điều khiển.

, T
4
.
- Tín hiệu trên G và trên T
2
của Triac.
5.5. Dựa trên kết quả quan sát tín hiệu, vẽ giản đồ xung hoạt động của
mạch.

255
5.6. Thay đổi giá trị P1, quan sát sự thay đổi tín hiệu điều khiển tơng ứng.
Vẽ giản đồ xung tơng ứng.
5.7. Trên cơ sở giản đồ xung, giải thích nguyên tắc hoạt động của mạch
điều khiển.
Chú ý
: Do có mạch cách ly lối vào và lối ra, nên khi quan sát tín hiệu vào
và ra phải nối đất dao động ký theo các điểm tơng ứng.