Tyristor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. října 2020; kontroly vyžadují 25 úprav .

Tyristor je polovodičové zařízení vyrobené na bázi polovodičového monokrystalu se třemi nebo více pn přechody a mající dva stabilní stavy:

"uzavřený" stav - stav nízké vodivosti ;
"otevřený" stav - stav vysoké vodivosti

Tyristor se třemi elektrickými vývody - anodou , katodou a řídící elektrodou - se nazývá trinistor . Hlavní aplikací SCR je řízení výkonné zátěže pomocí slabého signálu aplikovaného na řídicí elektrodu.

U dvoupinových zařízení - dinistorů dochází k přechodu zařízení do vodivého stavu, pokud napětí mezi jeho anodou a katodou překročí otevírací napětí.

Tyristor si lze představit jako elektronický spínač ( klíč ). Tyristory se také používají v klíčových zařízeních, například v pohonech .

Existují různé typy tyristorů, které se dělí hlavně na:

podle způsobu hospodaření;
podle vodivosti:
- tyristory, které vedou proud v jednom směru (příklady: nesymetrické dinistory a nesymetrické trinistory);
- tyristory, které vedou proud ve dvou směrech (příklady: symetrické dinistory a triaky - symetrické trinistory).

Proudově napěťová charakteristika (CVC) tyristoru je nelineární a ukazuje, že odpor tyristoru je záporný rozdíl . Ve srovnání například s tranzistorovými spínači má tyristorové řízení některé vlastnosti. Přechod tyristoru z jednoho stavu do druhého v elektrickém obvodu nastává náhle (lavinovitě) a je prováděn vnějším vlivem na zařízení: buď napětím (proud) nebo světlem (pro fototyristor ). Po přepnutí tyristoru do otevřeného stavu zůstává v tomto stavu i po ukončení řídicího signálu. Tyristor zůstává zapnutý, dokud jím protékající proud překročí určitou hodnotu, nazývanou přídržný proud.

Zařízení a hlavní typy tyristorů

Zařízení tyristorů je znázorněno na Obr. 1 . Tyristor se skládá ze čtyř polovodičů (vrstev) zapojených do série a lišících se typy vodivosti: p-n-p-n . P-n přechody mezi vodiči na obrázku jsou označeny jako "J1", "J2" a "J3". Kontakt s vnější p -vrstvou se nazývá anoda , s vnější n -vrstvou - katodou . Obecně platí, že zařízení p-n-p-n- může mít až dvě řídicí elektrody (základny) připojené k vnitřním vrstvám. Přivedením signálu na řídící elektrodu je řízen tyristor (mění se jeho stav).

Zařízení, které neobsahuje řídicí elektrody, se nazývá diodový tyristor nebo dinistor . Taková zařízení jsou řízena napětím aplikovaným mezi hlavní elektrody.

Zařízení obsahující jednu řídicí elektrodu se nazývá triodový tyristor nebo trinistor [1] (někdy jen tyristor , i když to není zcela správné). Podle toho, ke které vrstvě polovodiče je řídicí elektroda připojena, jsou trinistory řízeny anodou a katodou. Poslední jmenované jsou nejběžnější.

Zařízení popsaná výše se dodávají ve dvou variantách: procházející proud v jednom směru (od anody ke katodě) a procházející proud v obou směrech. V druhém případě je CVC symetrické, proto se odpovídající zařízení nazývají symetrická . Symetrická zařízení jsou vyrobena z pěti vrstev polovodičů. Symetrický trinistor se také nazývá triak nebo triak (z anglického TRIAC - trioda pro střídavý proud ). Je třeba poznamenat, že místo symetrických dinistorů se často používají jejich obvodové analogy [2] , včetně integrálních, které mají obvykle lepší parametry.

Tyristory s řídící elektrodou se dělí na uzamykatelné a neuzamykatelné. Neuzamykatelné tyristory nelze přepnout do uzavřeného stavu (jak vyplývá z jejich názvu) pomocí signálu přivedeného na řídicí elektrodu. Takové tyristory se uzavřou, když jimi protékající proud bude menší než přídržný proud. V praxi k tomu obvykle dochází na konci půlvlny síťového napětí.

Voltampérová charakteristika tyristoru

Typická I–V charakteristika tyristoru vedeného v jednom směru (s řídicími elektrodami nebo bez nich) je znázorněna na Obr. 2 . Popis VAC:

křivka CVC v oblasti ohraničené obdélníkem se souřadnicemi vrcholů (0; 0) a (Vo; I L ) (spodní větev) odpovídá vysokému odporu zařízení (přímé uzamčení zařízení);
bod (Vo; I L ) odpovídá okamžiku sepnutí tyristoru (přepnutí dinistoru do zapnutého stavu);
CVC křivka v oblasti ohraničené obdélníkem se souřadnicemi vrcholů (Vvo;I L ) a (Vн;In) odpovídá přepnutí zařízení do zapnutého stavu (nestabilní oblast). Soudě podle skutečnosti, že křivka má tvar S, můžeme usoudit, že odpor tyristoru je záporný diferenciální . Když potenciální rozdíl mezi anodou a katodou tyristoru s přímou polaritou překročí hodnotu Vvo, dojde k odblokování tyristoru (dinistorový efekt);
křivka CVC od bodu se souřadnicemi (Vn; In) a výše odpovídá otevřenému stavu zařízení (přímé vedení);
graf ukazuje I–V charakteristiky s různými řídicími proudy I G (proudy na řídicí elektrodě tyristoru): I G =0; I G > 0; I G >>0. Čím větší je proud I G , tím nižší je napětí Vvo, tyristor přechází do vodivého stavu;
tečkovaná čára označuje CVC křivku odpovídající průtoku proudu I G >> 0 v obvodu - tzv. „usměrňovací zapínací proud“. Při takovém proudu přechází tyristor do vodivého stavu při minimálním rozdílu potenciálu mezi anodou a katodou. Pro převedení tyristoru do nevodivého stavu je nutné snížit proud v obvodu anoda-katoda pod přídržný proud I H ; [3]
křivka CVC v úseku od V BR do 0 odpovídá režimu zpětného zamykání zařízení;
CVC křivka v oblasti od - ∞ do V BR odpovídá režimu zpětného členění.

Proudově napěťová charakteristika symetrických tyristorů se liší od charakteristiky znázorněné na Obr. 2 tím, že křivka ve třetí čtvrtině grafu (vlevo dole) opakuje úseky z první čtvrtiny (vpravo nahoře) symetricky kolem počátku (viz triak CVC ).

Podle typu nelinearity CVC je tyristor klasifikován jako S-zařízení .

Provozní režimy triodového tyristoru

Režim zpětného zamykání

Dva hlavní faktory omezují režimy zpětného členění a dopředného členění:

lavinový rozpad ;
punkce vyčerpané oblasti .

V režimu blokování zpětného chodu se na anodu zařízení přivádí napětí , které je záporné vzhledem ke katodě; spoje J1 a J3 jsou posunuty v opačném směru a spojka J2 je posunuta v dopředném směru (viz obr. 3 ). V tomto případě většina použitého napětí klesne na jednom z přechodů J1 nebo J3 (v závislosti na stupni dotování různých oblastí). Nechť je to přechod J1. V závislosti na tloušťce W n1 vrstvy n1 je průraz způsoben zmnožením laviny (tloušťka ochuzené oblasti při průrazu je menší než W n1 ) nebo proražením (ochuzená vrstva se rozprostírá přes celou oblast n1 a přechody J1 a J2 jsou uzavřeny).

Režim přímého zamykání

Při přímém blokování je napětí na anodě kladné vzhledem ke katodě a pouze přechod J2 je obráceně vychýlen. Přechody J1 a J3 jsou směrované dopředu. Většina aplikovaného napětí klesá na přechodu J2. Prostřednictvím přechodů J1 a J3 jsou do oblastí sousedících s přechodem J2 injektovány menšinové nosiče , které snižují odpor přechodu J2, zvyšují proud procházející tímto přechodem a snižují pokles napětí na něm. S nárůstem propustného napětí roste proud tyristorem nejprve pomalu, což odpovídá úseku 0-1 na I–V charakteristice. V tomto režimu lze tyristor považovat za uzamčený, protože odpor přechodu J2 je stále velmi vysoký. Jak se napětí na tyristoru zvyšuje, klesá podíl napětí na J2 a napětí na J1 a J3 rostou rychleji, což způsobuje další zvýšení proudu tyristorem a zvýšení injekce minoritního nosiče do oblasti J2. Při určité hodnotě napětí (řádově desítky nebo stovky voltů), nazývané spínací napětí V BF (bod 1 na I–V charakteristice), se proces stává lavinovitým, tyristor přechází do stavu vysoké vodivosti (zapne) a nastaví se v něm proud určený napětím zdroje a odporem vnějšího obvodu.

Dvoutranzistorový model tyristoru

K vysvětlení vlastností zařízení v režimu přímého vypnutí je použit dvoutranzistorový model. Tyristor lze chápat jako spojení mezi tranzistorem pnp a tranzistorem npn, přičemž kolektor každého z nich je připojen k bázi druhého, jak je znázorněno na obr. 4 pro triodový tyristor. Centrální p-n přechod funguje jako kolektor děr vstřikovaných přechodem J1 a elektronů vstřikovaných přechodem J3. Vztah mezi proudem emitoru , kolektoru a báze a statickým proudovým zesílením pnp tranzistoru je také znázorněn na obr. 4 , kde je zpětný saturační proud přechodu kolektor-báze. $I_{E}$ $I_{C}$ $já_{B}$ $\alpha_{1}$ $I_{Co}$

Podobné vztahy lze získat pro npn tranzistor, když je směr proudů obrácen. Z Obr. 4 vyplývá, že kolektorový proud npn tranzistoru je zároveň základním proudem pnp tranzistoru. Podobně kolektorový proud tranzistoru pnp a řídicí proud tečou do báze tranzistoru npn. V důsledku toho, když celkový zisk v uzavřené smyčce překročí 1, je možný lavinový proces zvyšování proudu strukturou, zatímco napětí na zařízení se rovná asi 1 V a proud je omezen pouze odpor vnějšího obvodu. ${\displaystyle I_{g))$

Základní proud tranzistoru pnp je . Tento proud protéká i kolektorem tranzistoru npn. ${\displaystyle I_{B1}=(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1))$

Kolektorový proud npn tranzistoru se ziskem je $\alpha_2$ $I_{C2}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.$

Dáme-li rovnítko a dostaneme: $I_{B1}$ $I_{C2}$

(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.

Od té doby: $I_{K}=I_{A}+I_{g},$

I_{A}={\frac {\alpha _{2}I_{g}+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2} )}}.

Tato rovnice popisuje statickou odezvu zařízení v rozsahu napětí až do průrazu. Po poruše zařízení funguje jako pin dioda . Všimněte si, že všechny členy v čitateli na pravé straně rovnice jsou malé, pokud je tedy aktuální člen malý. Koeficienty závisejí a zvyšují se s rostoucím proudem až do jeho vysokých hodnot. Pokud pak zmizí jmenovatel zlomku ve výše uvedeném vzorci pro anodový proud, proud se zvýší a dojde k přímému vratnému průrazu (nebo se zapne tyristor). $\alpha _{1}+\alpha _{2}<1,$ $IA}$ $\alpha _{1},$ $\alpha_2$ $IA}$ $\alpha _{1}+\alpha _{2}=1,$

Je-li polarita napětí mezi anodou a katodou obrácená, pak J1 a J3 budou mít zpětné předpětí a J2 bude předpětí dopředu. Za takových podmínek se zařízení nezapne, protože pouze centrální pn-přechod funguje jako emitor nosiče náboje a lavinový proces současného růstu se stává nemožným.

Šířka ochuzených vrstev a diagramy energetických pásem v rovnováze v režimu přímého blokování a přímého vedení jsou znázorněny na Obr. 5 . Při nulovém napětí na zařízení jsou oblast vyčerpání každého přechodu a kontaktní potenciály určeny pouze profilem distribuce nečistot. Když se na anodu přivede kladné napětí, přechod J2 má tendenci se pohybovat v opačném směru, zatímco přechod J1 a J3 má tendenci se pohybovat dopředu. Úbytek napětí mezi anodou a katodou je roven algebraickému součtu úbytků napětí na přechodech: . Se zvyšujícím se napětím se zvyšuje proud skrz zařízení a následně i $V_{AK}=V_{1}+V_{2}+V_{3}$ $\alpha_{1}$ $\alpha _{2}.$

Vzhledem k regenerační povaze těchto procesů zařízení nakonec přejde do otevřeného stavu. Po zapnutí tyristoru musí být proud, který jím protéká, omezen vnějším zatěžovacím odporem, jinak při dostatečně vysokém proudu tyristor selže. V zapnutém stavu je přechod J2 předpjatý ( obr. 5c ) a úbytek napětí je přibližně roven součtu napětí na jednom předpjatém pn přechodu a napětí kolektor-emitor nasyceného tranzistoru. $V_{AK}=V_{1}-|V_{2}|+V_{3}$

Dvoutranzistorový model se používá nejen ke studiu a popisu procesů probíhajících v tyristoru. Zařazení skutečných tranzistorů pnp a npn podle výše uvedeného schématu je obvodovým analogem tyristoru a někdy se používá v elektronických zařízeních.

Režim dopředného vedení

Když je tyristor v zapnutém stavu, všechny tři spoje jsou předpětí. Díry jsou injektovány z oblasti p1 a elektrony z oblasti n2 a struktura n1-p2-n2 se chová podobně jako nasycený tranzistor s kontaktem diody odstraněným do oblasti n1. Proto je zařízení jako celek podobné pinové (p + -in + ) diodě.

Účinek dU/dt

Když se na anodu a katodu tyristoru přivede napětí s přímou polaritou s rychlostí nárůstu větší než určitá kritická hodnota, struktura pnpn se otevře i bez přívodu otevíracího proudu do řídicí elektrody. Tento efekt je způsoben parazitní kapacitou mezi anodou a řídící elektrodou, dobíjecí proud této kapacity se zvýšením anodového napětí ústí do vrstvy řídící elektrody. Tento efekt omezuje použití tyristorů ve vysokofrekvenčních obvodech, ale někdy se používá k buzení tyristoru v některých obvodech. Parametr je uveden v referenčních datech pro konkrétní model tyristoru. $dU/dt>(dU/dt)_{\text{crit))$ $(dU/dt)_{\text{crit))$

di/dt efekt

V okamžiku otevření tyristoru podél řídící elektrody, vlivem nehomogenit v polovodičovém krystalu zařízení, začne proudit strukturou v určité plošně omezené zóně. Plocha zóny proudění se postupně zvětšuje a nakonec proud začne protékat celým povrchem křižovatky. Pokud se proud po otevření tyristoru zvyšuje velmi rychle, tj. při di/dt > (di/dt) crit , pak zóna, kudy proud protéká, „nemá čas“ expandovat do celé oblasti přechodu a proto , v místním místě počátečního toku proudu dosahuje jeho hustota hodnot , při kterých je možná destrukce přechodů v konstrukci tepelným průrazem a poruchou zařízení. Proto by při použití tyristorů měla být rychlost nárůstu proudu omezena. Parametr dicrit/dt je referenční a je uveden v katalozích pro každý model tyristoru.

Klasifikace tyristorů

Podle vodivosti a počtu svodů [4] [5] [6] :

diodový tyristor (další název " dinistor ") - tyristor se dvěma výstupy:
- tyristorová dioda, nevodivá v opačném směru;
- tyristorová dioda, vedoucí v opačném směru;
- symetrický diodový tyristor ( Diak );
triodový tyristor (přídavný název "trinistor") - tyristor se třemi výstupy:
- triodový tyristor, nevodící v opačném směru (doplňkový název "tyristor");
- triodový tyristor, vedoucí v opačném směru (doplňkový název "tyristor-dioda");
- symetrický triodový tyristor (jiný ruský název je „ simistor “, anglicky en: TRIAC [7] );
- asymetrický triodový tyristor;
- uzamykatelný tyristor (doplňkový název "vypínatelný triodový tyristor").

Dříve se tyristory v ruské literatuře nazývaly "řízené diody".

Rozdíl mezi dinistorem a trinistorem

Mezi dinistorem a trinistorem nejsou žádné zásadní rozdíly, nicméně pokud se dinistor otevře při dosažení určitého napětí mezi vývody anody a katody, v závislosti na typu tohoto dinistoru, pak v trinistoru lze otevírací napětí speciálně snížit přivedením proudového impulsu o určité délce a hodnotě na jeho řídící elektrodu s kladným potenciálovým rozdílem mezi anodou a katodou a konstrukčně se trinistor liší pouze přítomností řídící elektrody. SCR jsou nejběžnější zařízení z rodiny "tyristorů".

Rozdíl mezi triodovým tyristorem a uzamykatelným tyristorem

Přepnutí do uzavřeného stavu u běžných tyristorů se provádí buď snížením proudu tyristorem na hodnotu I h , nebo změnou polarity napětí mezi katodou a anodou.

Uzamykatelné tyristory, na rozdíl od klasických tyristorů, mohou vlivem proudu řídící elektrody přejít ze stavu zavřeného do stavu otevřeného a naopak. Pro uzavření uzamykatelného tyristoru je nutné, aby řídicí elektrodou prošel proud opačné polarity, než je polarita, která způsobila jeho otevření.

Triak

Triak (symetrický tyristor) je polovodičová součástka, ve své struktuře je obdobou antiparalelního zapojení dvou tyristorů. Schopný procházet elektrický proud v obou směrech.

Charakteristika tyristorů

Moderní tyristory se vyrábějí pro proudy od 1 mA do 10 kA ; pro napětí od několika desítek voltů do několika kilovoltů; rychlost náběhu proudu v propustném směru u nich dosahuje 10 9 A / s , napětí - 10 9 V / s , doba zapnutí se pohybuje od několika desetin do několika desítek mikrosekund, doba vypnutí - od několika jednotek do několika stovek mikrosekund.

Mezi běžné ruské tyristory patří zařízení KU202 ( 25-400 V , proud 10 A ), importované - MCR100 ( 100-600 V , 0,8 A ), 2N5064 ( 200 V , 0,5 A ) , C102D ( 400 V ) , , 4 A ( 600 V , 12 A ), BT151 ( 800 V , 7,5-12 A ) a další.

Ne všechny tyristory umožňují použití zpětného napětí srovnatelného s povoleným propustným napětím. Řízený výkon přes tyristor může dosahovat až 100 MW.

Aplikace

Tyristory se používají jako součást následujících zařízení:

Poznámky

↑ Elektronika v pevné fázi / Výukový program. 7.7. Trinistor Archivováno 13. ledna 2019 na Wayback Machine .
↑ ROZHLAS č. 3, 1986, str. 41-42 . Datum přístupu: 28. ledna 2016. Archivováno z originálu 4. února 2016. (neurčitý)
↑ E. B. Gumelya, G. N. Dzhunkovsky, Yu. A. Indlin, L. M. Kapchinsky, V. G. Korolkov, Ya. S. K., Terekhov V. A., Tolkacheva Ya.A. "Příručka radioamatéra-konstruktéra" Pod generál. vyd. R. M. Malinina. M., "Energie", 1973. S.325
↑ GOST 15133-77 Polovodičová zařízení. Termíny a definice.
↑ GOST 2.730-73 Polovodičová zařízení. Symboly jsou v grafických schématech podmíněné.
↑ GOST 20859.1-89 Výkonová polovodičová zařízení. Obecné Specifikace.
↑ Evseev Yu. A., Krylov S. S. Triaky a jejich použití v elektrických zařízeních domácností. Moskva: Energoatomizdat, 1990

Literatura

GOST 15133-77. Polovodičová zařízení. Termíny a definice.
Kublanovský. Tyristorová zařízení Ya.S. - 2. vyd., přepracováno. a doplňkové - M .: Rozhlas a komunikace, 1987. - 112 s.: nemoc. - (Hromadná rozhlasová knihovna. Vydání 1104).
Stepanenko IP Základy teorie tranzistorů a tranzistorových obvodů. - M .: Energie, 1977.
Gerlach V. Tyristory. — M .: Energoatomizdat, 1985.

Odkazy

Tyristory: princip činnosti, konstrukce, typy a způsoby zařazení.
Řízení tyristorů a triaků pomocí mikrokontroléru nebo digitálního obvodu.
Převodníky v napájecích systémech.
Rogachev KD Moderní výkonové uzamykatelné tyristory.
Domácí analogy dovážených tyristorů.
Referenční knihy o tyristorech a analogech. Výměna tyristorů, výměna diod. Zenerovy diody.
BTA16-600B je nejběžnější zahraniční triak pro pulsní nebo klíčové ovládání zátěží připojených k domácímu AC zdroji.

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Britannica (online) Treccani
V bibliografických katalozích	BNF : 11933674d GND : 4060020-8 J9U : 987007536577305171 LCCN : sh85135157 NKC : ph538431

Elektronické komponenty
Pasivní	Rezistor Variabilní odpor Trimrový odpor Varistor fotorezistor Kondenzátor variabilní kondenzátor Trimrový kondenzátor Varikond Induktor Transformátor Quartz rezonátor Pojistka Resetovatelná pojistka Memristor vyměňovat
Aktivní pevný stav	Dioda Světelná dioda Fotodioda laserová dioda Schottkyho dioda Zenerova dioda Stabistor Varicap Magnetodioda Diodový můstek Gunnova dioda tunelová dioda Lavinová dioda Lavinová dioda Tranzistor bipolární tranzistor Tranzistor s efektem pole CMOS tranzistor unijunkční tranzistor Fototranzistor Kompozitní tranzistor balistický tranzistor Integrovaný obvod Digitální integrovaný obvod Analogový integrovaný obvod Analogově-digitální integrovaný obvod hybridní integrovaný obvod Tyristor triak Dinistor fototyristor Optočlen ( odporový optočlen ) Hallův senzor
Aktivní vakuum a výboj plynu	Vakuové lampy Elektrovakuová dioda ( Kenotron ) Trioda tetroda paprsková tetroda Pentoda hexaod Heptod ( Pentagrid ) oktod Nonod mechatron Výbojky Zenerova dioda Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Cestující vlnová lampa Lampa se zpětnou vlnou Katodová trubice
Zobrazovací zařízení	Katodová trubice LCD displej Světelná dioda Indikátor vybití Vakuový fluorescenční indikátor Blinker výsledková tabulka Sedmisegmentový indikátor Maticový indikátor Kineskop
Akustický	Mikrofon mluvčí Tenzometr Piezokeramický zářič Bzučák telefonní kapsle
Termoelektrický	Termistor Termočlánek Peltierův prvek

Usměrňovače elektrického proudu
s pohyblivými částmi	motorgenerátor Synchronní měnič vibrací
kapalina	usměrňovač sody kyselý usměrňovač
vypouštění plynu	gastron Ignitron Excitron Thyratron
Elektrovakuum	Kenotron
Polovodič	selenový usměrňovač Dioda Tyristor