Informacje o stronie |  Krótkie przedstawienie |  Wymagania sprzętowe i programowe |  Zasada działania tyrystora |  PSpice |  Instrukcja obsługiLiteratura

Zasada działania tyrystora

Informacje podstawowe |  Rodzaje |  Parametry |  Zasada działania |  Sposoby przełączania |  Wady i zalety |  Zastosowanie


Tyrystor - informacje podstawowe

do początku strony
  • Tyrystor - jest dwustanowym przyrządem półprzewodnikowym z trzema lub więcej końcówkami (o czterech lub więcej warstwach), który może być przełączany ze stanu blokowania do stanu przewodzenia i odwrotnie [4].

    W literaturze ogólną nazwą tyrystor został objęta cała rodzina tych przyrządów elektronicznych. Jeżeli nie podano uzupełniających wyjaśnień, to przez pojęcie tyrystor należy rozumieć skróconą nazwę tyrystora triodowego blokującego wstecznie (SCR- Semiconductor Controlled Rectifier, ang.- półprzewodnikowy zawór sterowany )


  • Rodzaje tyrystorów

    do początku strony

    Istnieją cztery podstawowe rodzaje tyrystorów:
  • jednokierunkowe (struktura czterowarstwowa)- diodowy (dynistor), triodowy (trynistor)
  • dwukierunkowe (struktura pięciowarstwowa)- diodowy (diak), triodowy (triak)
  • Rodzaje tyrystorów
    Tab.1. Rodzaje tyrystorów [1]

    Podstawowe parametry tyrystorów

    do początku strony
    Rodzina charakterystyk statycznych tyrysora SCR
    Rys. Charakterystyka statyczna typowego tyrystora

    Tyrystor - analiza zjawisk fizycznych

    do początku strony

      1. Stan zaporowy tyrystora

        Stan zaporowy istnieje przy polaryzacji anody napięciem ujemnym względem katody („+” na katodzie i „-” na anodzie). W takim przypadku złącza j1 i j3 (patrz rys. poniżej.) zostają spolaryzowane w kierunku zaporowym, natomiast złącze j2 - w kierunku przewodzenia. Działa to w ten sposób, że ujemy biegun napięcia na anodzie przyciąga dziury z półprzewodnika p1 odpychając elektrony, natomiast biegun dodatni na katodzie przyciąga elektrony z półprzewodnika n2 a odpycha dziury. W wyniku rozszerzenia warstwy zaporowej na złączach j1 i j3 powstaje bardzo duża rezystancja i przez tyrystor przepływa bardzo mały prąd wsteczny. Złącza j1 i j2 posiadają zwykle różne profile domieszkowania dlatego możliwe jest, że przypadku gdy złącze j3 charakteryzuje się małą wartością napięcia przebicia UBR całe napięcie wsteczne może odłożyć się jedynie na niesymetrycznym złączu j1 . Zatem warstwa p1-n1-p2 musi być dostatecznie szeroka aby nie nastąpiło przebicie skrośne całej struktury. Jednak przy dostatecznie dużym napięciu wstecznym następuje przebicie całego tyrystora, wówczas charakterystyka nie różni się zbytnio od charakterystyki tradycyjnej diody pn.

    Ruch nośników w strukturze tyrystora spolaryzowanego zaporowo

        Jeżeli tak spolaryzowane złącze pobudzimy dodatkowo przepływem prądu bramki to część prądu dziurowego bramki wpłynie do katody polaryzując złącze j3 w kierunku przewodzenia a pozostała niewielka część do warstwy n1 poprzez spolaryzowane przepustowo złącze j2 . W tym momencie ze złącza j3 wstrzykiwane są do warstwy p2 elektrony, których część może się przedostać do warstwy n1. Jednocześnie dziury ze złącza j2 (spolaryzowanego przepustowe) są wstrzykiwane do n1, których część dociera nawet do p1. W tym przypadku mamy do czynienia ze wzrostem prądu wstecznego, co jest jak najbardziej niekorzystnym zjawiskiem. Dlatego w większości przypadków unika się wysterowywania bramki tyrystora, gdy jest spolaryzowany zaporowo.

      2. Stan blokowania

        W przypadku pracy w stanie blokowania (a także w stanie przewodzenia) napięcie polaryzujące podane jest odwrotnie niż w stanie zaporowym. Ujemna wartość napięcia na katodzie i dodatnia na anodzie powoduje spolaryzowanie złącz j1 i j3 przepustowo, a złącza j2 w kierunku wstecznym. Wynika to z tego, że ujemna katoda przyciąga dodatnie nośniki z warstwy n2 i równocześnie dodatnia anoda elektrony z warstwy n1. W ten sposób przy złączu j2 powstaje rozszerzająca się wraz ze wzrostem napięcia warstwa ładunku przestrzennego o dużej rezystancji i całe napięcie odkłada się na spolaryzowanym wstecznie złączu n1p2. Powoduje to przepływ niewielkiego prądu anodowego przy stosunkowo dużym napięciu polaryzacji.

    Ruch nośników w strukturze tyrystora- praca w stanie blokowania

      3. Stan przewodzenia tyrystora

        Do celów wyjaśnienia zjawisk fizycznych zachodzących w stanie blokowania i przewodzenia najczęściej posługujemy się analogią tyrystora do układu połączeń dwóch tranzystorów bipolarnych typu pnp i npn (rys. poniżej).

    Schemat tranzystorowy tyrystora

        Jako kryterium przejścia do stanu przewodzenia tyrystora przyjęto warunek aby suma współczynników wzmocnienia obu tranzystorów dążyła do jedności (α1 + α2 ->1).

    Model tranzystorowy

    Jeżeli zostanie spełniony ten warunek to bariera potencjału złącza j2 zmniejszy się na tyle, że możliwa będzie dyfuzja nośników z p2 do n1 i odwrotnie. W ten sposób złącze to zostanie spolaryzowane przepustowo w dostatecznym stopniu aby umożliwić swobodne zbieranie nośników większościowych wstrzykniętych z pozostałych złącz j1 i j3.

    Ruch nośników w strukturze tyrystora- praca w stanie przewodzenia

        W tym wypadku wszystkie złącza spolaryzowane są przepustowo, z tym, że złącze j2 nie uczestniczy we wstrzykiwaniu nośników tak silnie jak złącza j1 i j3 (rys. powyżej.) ponieważ ma przeciwną biegunowość. W związku z tym spadek napięcia na całym przyrządzie jest mniejszy niż na dwóch złączach , ale większy niż na jednym i utrzymuje się na poziomie 1…2 [V].


    Sposoby przełączania tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia

    do początku strony
        1.
    Zwiększając do odpowiednio dużej wartości napięcie UAK. Wówczas to złącza j1 i j3 wstrzykują w sposób narastający nośniki większościowe do przyległych obszarów, tj. złącze j1 dziury do warstwy n1, złącze j3 elektrony do obszaru p2. Dziury, które częściowo rekombinują w warstwie n1 zostają porwane przez pole ładunku przestrzennego złącza j2 i wchodzą do warstwy p2. Podobnie elektrony wstrzykiwane do warstwy p2 dyfundują poprzez złącze j2 do obszaru n1. Przy dostatecznie dużym napięciu polaryzacji zjawiska te znacznie oddziaływają na siebie, prowadząc do obniżenia potencjału skrajnych złącz struktury pnpn, co w konsekwencji kończy się przejściem przyrządu w stan przewodzenia.
        2.
    Poprzez ogrzanie tyrystora, poddanie działaniu oświetlenia lub innego promieniowania. W ten sposób zwiększa się prąd anodowy wskutek wzrostu prądu generacji. Przy naświetlaniu półprzewodnika może bowiem wzrosnąć proces generacji par elektron-dziura. W spolaryzowanej w kierunku przewodzenia strukturze pnpn tyrystora powstałe pod wpływem promieniowania nośniki w warstwie p2, dyfundują poprzez złącze j2 oraz złącze j1 do anody. Przy dostatecznie dużej intensywności strumienia (Φ) wzrastająca wartość i gęstość prądu powoduje przełączenie struktury do stanu przewodzenia.
        3.
    Zmieniając gwałtownie napięcia anoda-katoda. Wówczas to następuje szybkie ładowanie pojemności złącza j2 , co oznacza chwilowy przepływ dużego prądu anodowego wystarczającego do wysterowania tyrystora.
        4.
    Podając na bramkę tyrystora impuls prądowy. W ten sposób wprowadzamy do warstwy p2 dodatkowy prąd dziurowy, który płynąc do katody zwiększa polaryzacje przepustową złącza j3. Dzięki temu następuje znaczne zwiększenie wstrzykiwania elektronów, które dostając się do warstwy n1 sterują prąd dziurowy przepływający przez złącze j2. W efekcie zwiększa się chwilowy prąd anodowy płynący przez element, który wystarcza do wysterowania przyrządu.
    Napięcie przełączania jest funkcją prądu bramki, a więc dla różnych wartości tego prądu otrzymuje się rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych (rys. poniżej). Ten sposób przełączania jest zapewne najważniejszy jeśli chodzi o tyrystory triodowe.

    Przełšczanie tyrystora pršdem bramki

        Ze względu na możliwość załączania znacznego prądu tyrystory w większości zastosowań układowych zostają wykorzystywane do przekształcania energii prądu przemiennego dużej mocy. Sterowanie w takich obwodach polega zwykle na przesuwaniu impulsu wyzwalającego podawanego na bramkę względem napięcia anoda-katoda.

    Przykład układu sterowania tyrystora

    Wyróżnia się dwa sposoby sterowania tyrystorów:

  • Fazowe- włączanie i wyłączanie w dowolnym miejscu dodatniej półfali sinusoidy. Wadą tego sterowania jest oddawanie dużych prądów do sieci – stąd poważne zakłócenia elektromagnetyczne i konieczność ich tłumienia dodatkowymi układami elektronicznymi
  • Sterowanie fazowe

  • Z synkopowanym okresem – sterowanie prawie dokładnie w półokresie lub całkowitej jego wielokrotności (w praktyce są to pojedyncze wolty na anodzie tyrystora, a więc i przełączane prądy, niezależnie od wartości obciążenia są stosunkowo małe). Układy te nie posiadają wady sterowania fazowego jednak konieczna jest dobra synchronizacja z przebiegiem prądu.
  • Sterowanie synkopowe


    Wady i zalety tyrystorów

    do początku strony

      Zalety:

  • małe rozmiary
  • niewielka masa
  • duża odporność na wstrząsy i narażenia środowiskowe i możliwość pracy w temp. –65°C do +125°C
  • mały spadek napięcia na elemencie przewodzącym rzędu 1...2 V
  • krótki czas przejścia ze stanu zaporowego w stan przewodzenia i na odwrót - mikrosekundy
    1. Wady:

  • jednokierunkowe przewodzenie (nie dotyczy tyrystora dwukierunkowego - triaka
  • "wygasanie" tyrystora po zaniku prądu przewodzenia, wymagające ponownego "zapłonu" prądem bramki (wada ta bywa wykorzystywana i w niektórych zastosowaniach staje się zaletą)

  • Zastosowanie tyrystorów

    do początku strony
  • Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników prądu stałego.
  • Jako sterowniki prądu przemiennego – w automatyce silników indukcyjnych i w technice oświetleniowej.
  • Jako łączniki i przerywacze prądu stałego i przemiennego – w automatyce napędu elektrycznego, układach stabilizacji napięcia i w technice zabezpieczeń.
  • Jako układy impulsowe – w generatorach odchylenia strumienia elektronowego w kineskopach telewizorów kolorowych czy w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych.

  • Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, 2005 r.