Tyrystor podstawowe informacje

Tyrystory są to sterowane elementy półprzewodnikowe. Mogą znajdować się w stanie przewodzenia jak i w stanie zaporowym.

Zamienną nazwą dla tyrystora jest dioda sterowana krzemową. Składa się z czterech warstw półprzewodnika PNPN. Tyrystor posiada wyprowadzenia podłączone do trzech z czterech warstw półprzewodnika. Najprościej opisując anoda jest podłączona do warstwy skrajnej P₁ natomiast katoda jest podłączona do skrajnej warstwy N₂, ostatnie wyprowadzenie czyli bramka G podłączona jest do jednej z warstw wewnętrznych – P₂.

Reasumując taką struktura czterowarstwowa może być uważana za połączenie dwóch tranzystorów NPN oraz PNP. Ten opis obrazuje nam grafika znajdująca się poniżej ukazująca model dwutranzystorowy.

Nasze napięcie zewnętrzne przekładane do zacisków U_AK, czyli między anod i katodę, polaryzuje nam złącze emiter-baza P₁N₁ oraz bazę-kolektor N₁P₂ w tranzystorze T1 w przeciwnych kierunkach. Natomiast gdy na anoda ma potencjał ujemny względem katody, to złącze P₁N₁ będzie spolaryzowane wstecznie, a złącze N1P₂ będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Jednocześnie złącze P₂N₂ jest spolaryzowane w kierunku wstecznym. W samum obwodzie anoda-katod płynie wówczas niewielki prąd wsteczny mówimy tu o prądzie rzędu μA. Wraz ze wzrostem napięcia U_AK, przy specyficznej wartości U_BR nastąpi przebicie złącza P₁N₁, a następnie P₂N₂. Ten stan pracy nazywamy zaworowym lub stanem wstecznym, w tym momencie tyrystor zachowuje się jak dioda spolaryzowana wstecznie.

Przy spolaryzowaniu anody napięciem dodatnim względem katody, możemy uzyskać dwa stany przewodzenia jak i blokowania. Jeżeli napięcie U_GK jest mniejsze niż napięcie progowe złącza B-E tranzystora T2 to złącze wówczas nie przewodzi. W obwodzie A-K płynie prąd o zbliżonej wartości do prądu wstecznego, wówczas stan ten nazywamy SSB (stabilnym stanem blokowania).  Zwróćmy jednak uwagę na fakt, że tranzystory T1 oraz T2 są połączone w teki sposób, że prąd kolektora T2 jest jednocześnie prądem bazy T1. Podobnie jest z kolektorem T1 łącznie z pądem bramki I_G wysterowuje bazę tranzystor T2. Zatem jeżeli wzrasta nam prąd bazy tranzystor T1, to jednocześnie zwiększa nam się prąd kolektora tego tranzystor. Pociąga to za sobą wzrost prądu bazy w T2, jednocześnie wrasta prąd kolektora T2 jak i wzrost prądy bazy T1 i tak dalej. Proces ten zachodzi w sposób lawinowy pod warunkiem, że współczynnik wzmacniania prądowego α1 i α2 oby tranzystorów spełnia warunek:

α1 + α2 ≥ 1

Reasumując występuje tu dodatnie sprzężenie zwrotne, wspomniane sprzężenie sprawia, że oba tranzystory są w stanie nasycenia. Złącze N₁P₁ traci wówczas właściwości blokujące przepływ prądy, a sam tyrystor przechodzi w stan przewodzenia.

Załączanie tyrystora

Załączanie tyrystora, czyi przejście ze stany blokowania w stan przewodzenia. Zmiana stanu jest możliwa po przekroczeniu określonej wartości napięcia jak i prądu anodowego. W momencie gdy tyrystor znajduje się w zakresie tak zwanych małych prądów kolektora, współczynniki wzmocnienia prądowego jest niewielkie. Napięcie przełączania jest oznaczane jako U_BO, a prąd przełączania oznaczany jest jako I_B0, natomiast interesujący nas prąd załączania oznaczany jest jako I_HS. Sam proces przełączania można zainicjować w bardo prosty sposób, gwałtownym wzrostem napięcia przywożonego pomiędzy anodą i katodą jak i wzrostem temperatury. Najczęściej stosowanym sposobem załączenia jest wyzwalanie bramowe. Ten proces polega na  wywołaniu przełączenia poprzez przepływ prądu bramki IG. Aby zastosować wspomnianą metodę należy polaryzować złącze P₂N₂, w kierunku przewodzenia. Uzyskujemy to przykładając napięcie pomiędzy bramką a katodą, jednak nie wyższe od napięcia progowego wspomnianego złącza. Wartość napięcia przełączenia – UB0 jest funkcją IG, czyli prądu bramki. W celu wyłączenia tyrystora musimy odwrucić ten proces, dzięki czemu stan przewodzenia przejdzie do stanu blokowania.

Charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu bramki

Jeżeli weźmiemy pod uwagę proces załączania tranzystora, jedną z jego najważniejszych charakterystyk staje się od razu charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu bramki. Funkcja U_FG = f (I_FG). Nazywana również charakterystyką wyzwalania prądem bramki lub przełączania. Na grafice poniżej ukazana jest charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu bramki.

Możemy tu wyróżnić następujące obszary:

1. Obszar nieprzełączenia jest to obszar, który zawiera takie wartości napięcia jak i prądów bramkowych, które nie są w stanie spowodować przełączenia danego typu tyrystora. Napięcie ograniczające ten obszar U_DG nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I_DG prądem nieprzełączającym brami.

2. Obszar możliwych przełączeń jest to obszar w którym, możliwe jest uzyskanie przełączenia wybranych tyrystorów danego typu. Wskazany obszar jest ograniczany prądem przełączającym bramki – I_GT oraz napięciem przełączającym bramki – U_GT.

3. Obszar pewnego przełączenia. Jest to obszar w którym dzięki wartości prądów jak i  napięć bramkowych, mamy gwarantowane przejście ze stanu blokowania oraz wstecznego do stanu przewodzenia we wszystkich typach tyrystorów. Ten obszar jest ograniczony szczytowym prądem przełączania bramki I_FGM, szczytowe napięcie przełączania bramki U_FGM jak i  szczytowymi stratami mocy bramki P_FGM.

4. Obszar możliwych uszkodzeń obwodu bramkowego jest to obszar w który znajduje się poza krzywą szczytowych wartości strat mocy na bramce.  Pamiętać trzeba by przy konstrukcji układu eliminować takie warunki pracy tyrystorów.

Proces przełączania tyrystora między stanem blokowania a stanem przewodzenia jak i odwrotnie, nie jest procesem natychmiastowym. Jest to proces trwający kreśloną ilość czasu,  czasami charakteryzującymi ten czas są:

• czas załączania tyrystora – t_gt
• czas wyłączania tyrystora – t_gf.

Wspomniane wyżej czasy dla większości tyrystorów mają wartość mikrosekund. Podczas przełączania stromość narastania prądu przewodzenia ΔiT/Δt oraz stromość z jaką narasta napięcie blokowania ΔuD/Δt nie przekraczały krytycznych wartości.

Zastosowanie tyrystorów

Tyrystory jako elementy półprzewodnikowe najczęściej stosuje się w obwodach, w których będą płynąć duże prądy i występują znacznie napięcia, np trakcje elektryczne, napędy elektryczne i tym podobne. Przy tego typu zastosowaniach ogromne znaczenie mają wartości graniczne prądów jak i napięć czy mocy, których to nie należy przekraczać przy eksploatacji urządzenia.

Do parametrów granicznych należą między innymi:

• powtarzalne napięcie szczytowe blokowania U_DRM,
• powtarzalne napięcie szczytowe wsteczne U_RRM,
• średni prąd przewodzenia I_T(AV),
• powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_TRM,

Źródła:
Podstawy elektrotechniki półprzewodnikowej – Jan Hennel
Elektronika 5 – Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski