Zařízení a parametry tyristorů

Tyristor je polovodičová součástka se třemi (nebo více) p-n přechody, jejíž proudově-napěťová charakteristika má zápornou diferenční odporovou sekci a která se používá pro spínání v elektrických obvodech.

Nejjednodušší tyristor se dvěma výstupy je diodový tyristor (dynistor). Triodový tyristor (SCR) má navíc třetí (řídící) elektrodu. Diodové i triodové tyristory mají čtyřvrstvou strukturu se třemi p–n přechody (obr. 1).

Koncové oblasti pl a n2 se nazývají anoda a katoda, k jedné ze středních oblastí p2 nebo n1 je připojena řídicí elektroda. P1, P2, P3- přechody mezi p- a n-oblastmi.

Zdroj E vnějšího napájecího napětí je připojen k anodě s kladným pólem vzhledem ke katodě. Pokud je proud Iу řídicí elektrodou triodového tyristoru nulový, jeho činnost se neliší od činnosti diody. V některých případech je vhodné reprezentovat tyristor jako obvod ekvivalentní dvěma tranzistorům s použitím tranzistorů s různými typy elektrické vodivosti p-n-p a n-R-n (obr. 1, b).

Obr. 1.Struktura (a) a dvoutranzistorový ekvivalentní obvod (b) triodového tyristoru

Jak je patrné z Obr. 1, b, přechod P2 je společný kolektorový přechod dvou tranzistorů v ekvivalentním obvodu a přechody P1 a P3 jsou emitorové přechody. Se zvyšujícím se propustným napětím Upr (což je dosaženo zvýšením emf zdroje E) se tyristorový proud mírně zvyšuje, dokud se napětí Upr blíží určité kritické hodnotě průrazného napětí rovné spínacímu napětí Uin (obr. 2).

Rýže. 2. Proudově-napěťová charakteristika a konvenční označení triodového tyristoru

S dalším nárůstem napětí Upr pod vlivem rostoucího elektrického pole v přechodu P2 je pozorován prudký nárůst počtu nosičů náboje vzniklých v důsledku nárazové ionizace při srážce nosičů náboje s atomy. V důsledku toho se přechodový proud rychle zvyšuje, když elektrony z vrstvy n2 a díry z vrstvy p1 spěchají do vrstev p2 a n1 a nasycují je menšinovými nosiči náboje. S dalším zvýšením EMF zdroje E nebo snížením odporu rezistoru R se proud v zařízení zvyšuje v souladu s vertikálním řezem I — V charakteristiky (obr. 2).

Minimální dopředný proud, při kterém zůstává tyristor zapnutý, se nazývá přídržný proud Isp. Při poklesu propustného proudu na hodnotu Ipr <Isp (sestupná větev I — V charakteristiky na obr. 2) se obnoví vysoký odpor spoje a tyristor se vypne. Doba obnovy odporu p – n přechodu je typicky 1 – 100 µs.

Napětí Uin, při kterém začíná lavinový nárůst proudu, lze snížit dalším zavedením menšinových nosičů náboje do každé z vrstev sousedících s přechodem P2. Tyto dodatečné nosiče náboje zvyšují počet ionizačních akcí v P2 p-n přechodu, a proto klesá spínací napětí Uincl.

Přídavné nosiče náboje v triodovém tyristoru znázorněném na Obr. 1, jsou zavedeny do vrstvy p2 pomocným obvodem napájeným z nezávislého zdroje napětí. Do jaké míry klesá spínací napětí s rostoucím řídicím proudem, ukazuje rodina křivek na Obr. 2.

Při přechodu do otevřeného (zapnutého) stavu se tyristor nevypne ani při poklesu řídicího proudu Iy na nulu. Tyristor lze vypnout buď snížením vnějšího napětí na určitou minimální hodnotu, při které se proud stane menším než přídržný proud, nebo přivedením záporného proudového impulsu do obvodu řídící elektrody, jehož hodnota však , je úměrná hodnotě dopředného spínacího proudu Ipr.

Důležitým parametrem triodového tyristoru je odblokovací řídicí proud Iu on — proud řídicí elektrody, který zajišťuje spínání tyristoru v otevřeném stavu. Hodnota tohoto proudu dosahuje několika set miliampérů.

Obr. 2 je vidět, že při přivedení zpětného napětí na tyristor v něm vzniká malý proud, protože v tomto případě jsou přechody P1 a P3 uzavřeny. Aby se předešlo poškození tyristoru ve zpětném směru (což vyřadí tyristor z provozu v důsledku tepelného průrazu zdvihu), musí být zpětné napětí menší než Urev.max.

U symetrických diodových a triodových tyristorů se inverzní I — V charakteristika shoduje s propustnou. Toho je dosaženo antiparalelním spojením dvou stejných čtyřvrstvých struktur nebo použitím speciálních pětivrstvých struktur se čtyřmi p-n přechody.

Rýže. 3. Struktura symetrického tyristoru (a), jeho schematické znázornění (b) a proudově-napěťová charakteristika (c)

V současné době se tyristory vyrábí pro proudy do 3000 A a spínací napětí do 6000 V.

Hlavní nevýhodou většiny tyristorů je neúplná řiditelnost (tyristor se po odstranění řídicího signálu nevypne) a relativně malá rychlost (desítky mikrosekund). V poslední době však byly vytvořeny tyristory, u kterých byla odstraněna první nevýhoda (uzamykací tyristory lze vypnout pomocí řídicího proudu).

Potapov L.A.