Teória - tyristor

 Tyristor má štvorvrstvovú štruktúru. Všetky štyri oblasti so striedajúcim sa typom vodivosti sú vyhotovené na jednom základnom plátku polovodiča a tvoria sériovú kombináciu troch na seba nadväzujúcich priechodov PN. Na jednu z vnútorných oblastí tyristora napr. s vodivosťou P sa pripevní elektróda. Prúdom, privádzaným do tejto oblasti možno ovplyvňovať spínací proces tyristora. Oblasť s elektródou G sa nazýva ovládacia elektróda a tyristor s ovládacou elektródou P sa označuje ako PNPN. Jeho schematická štruktúra a normalizovaná značka sú znázornené na obrázku.

      Predpokladajme, že medzi hlavné vývody tyristora A (anóda) a K (katóda) pripojíme napätie v priamom smere, t. j. anóda bude kladnejšia ako katóda. Priechody J1 a J3 sú polarizované v priamom smere, priechod J2 je uzavretý a tyristorom prechádza len jeho záverný prúd. Tyristor je v blokovacom stave. Pretože do ovládacej elektródy neprivádzame prúd IG (IG = 0), závisí len od vlastností priechodu J2, kedy tyristor zopne. Stane sa tak v okamihu, keď napätie na tyristore dosiahne hodnotu spínacieho napätia UBO. Nastáva nedeštruktívny prieraz priechodu J2, sprevádzaný prudkým vzrastom prúdu a súčasným poklesom napätia UBO (oblasť záporného diferenciálneho odporu na charakteristike).

      Tyristor ako spínač prešiel do priepustného stavu a príslušná časť charakteristiky sa podobá voltampérovej charakteristike polovodičovej diódy v priamom smere.

      Ak privedieme do ovládacej elektródy prúd IG, zväčší sa koncentrácia nosičov v oblasti uzavretého priechodu J2, a prieraz priechodu nastane pri nižšom napätí, než je napätie UBO. Čím väčší je ovládací prúd IG, tým menšie je spínacie napätie tyristora. Pri dosiahnutí určitej hodnoty ovládacieho prúdu, ktorý nazývame zapínacím prúdom ovládacej elektródy IG = IGT, sa pri činnosti tyristora na jeho charakteristike neobjaví oblasť záporného diferenciálneho odporu.

      Časť voltampérových charakteristík v blokovacom stave, nameraných pri rôznych hodnotách ovládacieho prúdu IG, tvorí sústavu, ktorej parametrom je prúd IG = konšt., a tyristor sa správa ako ovládaný spínač.

 

 

 
Časť charakteristiky, ktorá zodpovedá priepustnému stavu tyristora, je spoločná pre celú sústavu a priepustný prúd tyristora nezávisí od prúdu ovládacej elektródy IG. To znamená, že ihneď po zopnutí prestáva ovládacia elektróda vplývať na ďalší proces v tyristore. Pri bežných tyristoroch nemožno tyristor zablokovať ani zmenšením alebo prerušením ovládacieho prúdu. Tyristor sa vypne len privedením záporného prúdu do ovládacej elektródy alebo zmenšením priepustného prúdu pod hodnotu prídržného prúdu IH (napr. prerušením obvodu, alebo uvedením tyristora do záverného stavu komutáciou pripojeného napätia).

      Dôležitými veličinami tyristora ako spínača sú spínací a vypínací čas. Spínací čas ton je čas, ktorý uplynie od okamihu pripojenia napätia na tyristor do okamihu, kedy tyristorom začne tiecť ustálený prúd. Vypínací čas toff je časový interval medzi okamihom, keď sa preruší prúd tyristora a okamihom, keď sa obnoví (menovitý) blokovací stav tyristora. V prípade, že priepustné napätie na tyristore začne opäť vzrastať pred uplynutím vypínacieho času, tyristor predčasne zopne pri nižšom napätí, než aké zodpovedá charakteristickej hodnote blokovacieho napätia pre určitý prúd IG.

      Velkosť napätia, pri ktorom tyristor skutočne zopne, závisí aj od rýchlosti, s akou napätie, pripojené na svorky tyristora, vzrastá na hodnotu napätia UBO. Od určitej kritickej rýchlosti SU = dUD/dt, ktorú nazývame kritickou strmosťou rastu blokovacieho napätia, je spínacie napätie menšie ako napätie UB (pri určitom prúde Ib). Hodnota spínacieho napätia je tým menšia, čím väčšia je kritická rýchlosť SU Príčinou tohto javu je kapacitný prúd, ktorý pri týchto rýchlych zmenách vzniká v štruktúre tyristora a má podobný vplyv na spínacie napätie ako ovládací prúd. Kritickou strmosťou pri niektorých tyristoroch je už hodnota 10-1 V/ms, moderné tyristory dosahujú hodnotu strmosti až 102 V/ms.

      V ďalšom texte uvedieme charakteristické údaje tyristora TESLA typ KT 504:

     spínacie napätie UBO = 360 V,

     bod charakteristiky v blokovacej oblasti:
      UD = 300 V pri prúde maximálne ID = 0,5 mA,
      bod charakteristiky v priepustnom stave: IT=1A pri maximálnom úbytku napätia na tyristore UT= 1,7 V,
      prídržný prúd IH = 17 mA,

      Spínací prúd a spínacie napätie ovládacej elektródy, pri ktorých tyristor spína, ak má na svorkách napätie UD = 10 V :
      IGT= 10 mA UGT = 3V

     Bod charakteristiky v závernom stave:
      pri UR = 300 V tečie tyristorom maximálne prúd IR = 0,5 mA,

 
     prierazné napätie v závernom stave:
      UR(BR) = 360 V,

     blokovacie napätie, ktoré tyristor trvalé znesie pri prúde IG = 0 v celom rozsahu prevádzkových teplôt:
     UD = 300 V,
      záverné napätie (v tých istých podmienkach): UR = 300 V,
      spínací čas (IT = 1 A): ton = 2 . 10-6 s,
      vypínací čas (IT = 1 A): toff = 40 . 10-6 s.

      Tyristor, ktorý má na vnútornú oblasť s vodivosťou N pripojenú ovládaciu elektródu, označuje sa ako tyristor NPNP. Ovláda sa záporným prúdom, privádzaným do ovládacej elektródy. Vnútorné procesy prebiehajú rovnako ako pri tyristore PNPN. Tyristory NPNP u nás nevyrábame.

      Použitie tyristorov: ovládané spínače v jednosmerných obvodoch, ovládané usmerňovače v obvodoch striedavého prúdu.