Zariadenie a parametre tyristorov

Tyristor je polovodičové zariadenie s tromi (alebo viacerými) p-n prechodmi, ktorého prúdovo-napäťová charakteristika má zápornú časť diferenciálneho odporu a ktorá sa používa na spínanie v elektrických obvodoch.

Najjednoduchší tyristor s dvoma výstupmi je diódový tyristor (dynistor). Triódový tyristor (SCR) má navyše tretiu (riadiacu) elektródu. Diódové aj triódové tyristory majú štvorvrstvovú štruktúru s tromi p–n prechodmi (obr. 1).

Koncové oblasti pl a n2 sa nazývajú anóda a katóda, riadiaca elektróda je pripojená k jednej zo stredných oblastí p2 alebo n1. P1, P2, P3- prechody medzi p- a n-oblasťami.

Zdroj E externého napájacieho napätia je pripojený k anóde s kladným pólom voči katóde. Ak je prúd Iу cez riadiacu elektródu triódového tyristora nulový, jeho činnosť sa nelíši od činnosti diódy. V niektorých prípadoch je vhodné reprezentovať tyristor ako obvod ekvivalentný dvom tranzistorom s použitím tranzistorov s rôznymi typmi elektrickej vodivosti p-n-p a n-R-n (obr. 1, b).

Obr. 1.Štruktúra (a) a dvojtranzistorový ekvivalentný obvod (b) triódového tyristora

Ako je možné vidieť na obr. 1, b, prechod P2 je spoločný kolektorový prechod dvoch tranzistorov v ekvivalentnom obvode a prechody P1 a P3 sú emitorové prechody. Keď sa zvyšuje dopredné napätie Upr (čo sa dosiahne zvýšením emf zdroja E), prúd tyristora sa mierne zvýši, až kým sa napätie Upr nepriblíži k určitej kritickej hodnote prierazného napätia rovnajúcej sa zapínaciemu napätiu Uin (obr. 2).

Ryža. 2. Prúdovo-napäťové charakteristiky a konvenčné označenie triódového tyristora

S ďalším zvýšením napätia Upr pod vplyvom rastúceho elektrického poľa v prechode P2 sa pozoruje prudký nárast počtu nosičov náboja vytvorených v dôsledku nárazovej ionizácie pri zrážke nosičov náboja s atómami. V dôsledku toho sa prechodový prúd rýchlo zvyšuje, keď sa elektróny z vrstvy n2 a diery z vrstvy p1 rútia do vrstiev p2 a n1 a nasýtia ich menšinovými nosičmi náboja. S ďalším zvýšením EMF zdroja E alebo znížením odporu rezistora R sa prúd v zariadení zvyšuje v súlade s vertikálnym rezom I — V charakteristiky (obr. 2).

Minimálny dopredný prúd, pri ktorom zostáva tyristor zapnutý, sa nazýva prídržný prúd Isp. Pri poklese priepustného prúdu na hodnotu Ipr <Isp (zostupná vetva I — V charakteristiky na obr. 2) sa obnoví vysoký odpor spojenia a tyristor sa vypne. Doba obnovy odporu p – n prechodu je typicky 1 – 100 µs.

Napätie Uin, pri ktorom začína lavínovitý nárast prúdu, možno znížiť ďalším zavedením menšinových nosičov náboja do každej z vrstiev susediacich s prechodom P2. Tieto dodatočné nosiče náboja zvyšujú počet ionizačných akcií v P2 p-n prechode, a preto klesá zapínacie napätie Uincl.

Dodatočné nosiče náboja v triódovom tyristore znázornenom na obr. 1, sú zavedené do vrstvy p2 pomocným obvodom napájaným z nezávislého zdroja napätia. Rozsah, v akom sa zapínacie napätie znižuje so zvyšujúcim sa riadiacim prúdom, je znázornený skupinou kriviek na obr. 2.

Prechodom do otvoreného (zapnutého) stavu sa tyristor nevypne ani pri poklese riadiaceho prúdu Iy na nulu. Tyristor je možné vypnúť buď znížením vonkajšieho napätia na určitú minimálnu hodnotu, pri ktorej bude prúd menší ako prídržný prúd, alebo privedením záporného prúdového impulzu do obvodu riadiacej elektródy, ktorého hodnota však , je úmerná hodnote dopredného spínacieho prúdu Ipr.

Dôležitým parametrom triódového tyristora je odblokovací riadiaci prúd Iu on — prúd riadiacej elektródy, ktorý zabezpečuje spínanie tyristora v otvorenom stave. Hodnota tohto prúdu dosahuje niekoľko stoviek miliampérov.

Obr. 2 je vidieť, že pri privedení spätného napätia na tyristor v ňom dochádza k malému prúdu, pretože v tomto prípade sú prechody P1 a P3 uzavreté. Aby sa zabránilo poškodeniu tyristora v spätnom smere (čo vyradí tyristor z prevádzky v dôsledku tepelného rozpadu zdvihu), je potrebné, aby spätné napätie bolo menšie ako Urev.max.

V symetrických diódových a triódových tyristoroch sa inverzná I - V charakteristika zhoduje s prednou. To sa dosiahne antiparalelným spojením dvoch rovnakých štvorvrstvových štruktúr alebo použitím špeciálnych päťvrstvových štruktúr so štyrmi p-n prechodmi.

Ryža. 3. Štruktúra symetrického tyristora (a), jeho schematické znázornenie (b) a prúdovo-napäťová charakteristika (c)

V súčasnosti sa vyrábajú tyristory pre prúdy do 3000 A a zapínacie napätia do 6000 V.

Hlavnou nevýhodou väčšiny tyristorov je neúplná ovládateľnosť (tyristor sa po odstránení riadiaceho signálu nevypne) a relatívne nízka rýchlosť (desiatky mikrosekúnd). Nedávno však boli vytvorené tyristory, u ktorých bola odstránená prvá nevýhoda (uzamykacie tyristory je možné vypnúť pomocou riadiaceho prúdu).

Potapov L.A.