Tyristory: dinistory, triaky, tyristory s hradlem, triaky a fototyristory

Tyristor je polovodičové zařízení založené na čtyřvrstvé struktuře. p-n-p-n, mít tři p-n přechod. Napětí jsou aplikována tak, že krajní přechody působí v dopředném směru a střední ve zpětném směru. Zařízení má vlastnosti diody.

Pokud má zařízení vývody pouze z krajních oblastí konstrukce, pak se nazývá diodový tyristor nebo dinistor.

Triodový tyristor nebo jednoduše tyristor se zapíná řídicími proudovými impulsy a vypíná buď přivedením zpětného napětí nebo přerušením proudu jiným zařízením.

Vypínací tyristor se vypíná pomocí impulsů proud řízení.

Simistor (symetrický tyristor) je ekvivalentem antiparalelního zapojení dvou tyristorů a je schopen procházet proud v obou směrech, když je otevřený. K zapnutí dochází pomocí impulzů řídicího proudu.

Optotyristor se zapíná světelným signálem.

Hlavní parametry některých tyristorů jsou uvedeny v tabulce.

Tabulka. TYRISTORY

Písmenné označení parametrů tyristoru

Podle GOST 15133-77 jsou spínací polovodičová zařízení se dvěma stabilními stavy, která mají tři nebo více p-n přechodů, kombinována pod obecným názvem tyristory.

Tyristory pracují jako spínače v pulzních režimech s proudy výrazně překračujícími přípustné konstantní proudy v otevřeném stavu. Jsou určeny pro použití v obvodech měničů elektrické energie, pulzních modulátorů, bezkontaktních řídicích zařízení, selektivních a pulzních zesilovačů, generátorů harmonických kmitů, invertorů a dalších obvodů, které plní spínací funkce.

Mezi hlavní parametry tyristorů stanovené GOST 20332-84 patří parametry maximálních přípustných režimů v zavřeném stavu, v reverzním nevodivém stavu, v otevřeném stavu a podél řídicího obvodu, jakož i dynamické a tepelné parametry:

• konstantní napětí v uzavřeném stavu U_zs — nejvyšší dopředné napětí, které může být na zařízení aplikováno a při kterém je v uzavřeném stavu;

• pulzní neopakující se napětí v uzavřeném stavu U_{zs, np}— nejvyšší okamžitá hodnota jakéhokoli neopakujícího se napětí na anodě, která nezpůsobí její přepnutí z uzavřeného stavu do otevřeného stavu;

• konstantní zpětné napětí U_arr — nejvyšší napětí, které lze přivést na zařízení v opačném směru;

• reverzní průrazné napětí U_Vzorky — zpětné napětí zařízení, při kterém zpětný proud dosáhne stanovené hodnoty;

• spínací napětí U_prk — propustné napětí odpovídající spínacímu bodu (inflexní bod voltampérové ​​charakteristiky);

• napětí v zapnutém stavu U_vosy — pokles napětí na tyristoru v otevřeném stavu;

• pulzní napětí v otevřeném stavu U_{vosa a}— nejvyšší okamžitá hodnota napětí v otevřeném stavu způsobená pulzním proudem v otevřeném stavu dané hodnoty;

• pulzní spouštěcí napětí U_{od a}— nejmenší amplituda napěťového impulsu v propustném směru, který zajišťuje přepnutí (dinistoru, tyristoru) ze sepnutého stavu do otevřeného;

• konstantní uvolnění ovládacího napětí U_{y, od} — napětí mezi řídicí elektrodou a katodou tyristoru, odpovídající otevíracímu stejnosměrnému řídicímu proudu;

• ovládací napětí pulzní spouště U_{v, od a} — impulsní napětí na řídicí elektrodě odpovídající řídicímu proudu otevření impulsu;

• nespouštěcí konstantní řídicí napětí U_{oh, ne}— nejvyšší konstantní napětí na řídicí elektrodě způsobující přepnutí tyristoru ze sepnutého stavu do otevřeného;

• opakované přepětí ve vypnutém stavu U_{zs, p} — nejvyšší okamžitá hodnota napětí ve vypnutém stavu přivedené na tyristor, včetně pouze opakujících se přechodných napětí;

• opakované impulsní napětí U_{arr, str} — nejvyšší okamžitá hodnota zpětného napětí přivedeného na tyristor, včetně pouze opakujících se přechodných napětí;

• blokovací konstantní řídicí napětí U_{y, z} — konstantní řídicí napětí tyristoru, odpovídající blokovacímu konstantnímu řídicímu proudu;

• řídicí napětí blokovacího impulsu U_{u, z, i} — napětí řídicího impulsu tyristoru odpovídající blokovacímu proudu řízení;

• neblokující konstantní napětí U_{y, nz} — nejvyšší konstantní řídicí napětí, které nezpůsobuje vypnutí tyristoru;

• hraniční napětí U_póry— hodnota napětí tyristoru, určená průsečíkem přímky přímočaré aproximace charakteristiky otevřeného stavu s osou napětí;

• DC vypnutý stav I_zs— proud v uzavřeném stavu při určitém dopředném napětí;

• průměrný spínací proud I_{os, sr}— průměrná hodnota proudu v otevřeném stavu za dané období;

• stejnosměrný zpětný proud I_arr— proud zpětné anody při určité hodnotě zpětného napětí;

• spínací proud I_prk— proud přes tyristor v okamžiku sepnutí (U_prk и I_prkjsou uvedeny pouze pro dinistory);

• opakující se pulzní proud v otevřeném stavu I_{os, p}— největší okamžitá hodnota proudu v otevřeném stavu, včetně všech opakujících se přechodných proudů;

• otevřený rázový proud I_{os, ovládání}— nejvyšší pulzní proud v otevřeném stavu, jehož průtok způsobí překročení přípustné teploty přechodu, ale jehož účinek po dobu životnosti tyristoru se očekává s omezeným počtem opakování;

• DC otevřený proud I_vosy— nejvyšší hodnota proudu v otevřeném stavu;

• opakující se pulzní proud v otevřeném stavu I_{os, p}— největší okamžitá hodnota proudu v otevřeném stavu, včetně všech opakujících se přechodných proudů;

• opakující se pulzní proud ve vypnutém stavu I_{zs, p}— pulzní proud v zavřeném stavu, způsobený opakovaným pulzním napětím v zavřeném stavu;

• opakující se pulzní zpětný proud I_{arr, str}— zpětný proud způsobený opakovaným pulzním zpětným napětím;

• odblokování ovládání stejnosměrného proudu I_{y, od}— nejmenší stejnosměrný řídicí proud potřebný k zapnutí tyristoru (ze zavřeného stavu do otevřeného stavu);

• ovládání spouštěcího proudu I_{v, od a}— nejmenší proud řídicího impulsu potřebný k sepnutí tyristoru;

• proud ovládání blokovacího impulsu I_{u, z, i}— nejvyšší řídicí pulzní proud, který nezpůsobí sepnutí tyristoru;

• udržovací proud I_ud— nejmenší dopředný proud tyristoru potřebný k udržení tyristoru v otevřeném stavu;

• spínací proud tyristoru I_vč— nejmenší hlavní proud potřebný k udržení tyristoru v otevřeném stavu po skončení impulsu řídicího proudu po přepnutí tyristoru ze sepnutého stavu do otevřeného;

• vypínací proud tyristoru I_з— nejvyšší hodnota hlavního proudu, při které je tyristor uzamčen řídicí elektrodou;

• průměrný ztrátový výkon P_ženatý— součet všech průměrných výkonů rozptýlených tyristory;

• doba zapnutí tyristoru t_{y, na}, t_{z, na}— časový interval, během kterého je tyristor zapnut spouštěcím řídicím proudem nebo přepnut ze sepnutého stavu do otevřeného impulzním spouštěcím proudem;

• čas náběhu t_{y, pnr}, t_nr— časový interval mezi okamžikem, kdy hlavní napětí klesne na stanovenou hodnotu, a okamžikem, kdy dosáhne stanovené nízké hodnoty, když je tyristor sepnut spouštěcím řídicím proudem nebo spínán impulzním spouštěcím napětím;

• vypnout čas t_vypnuto— nejmenší časový interval mezi okamžikem, kdy hlavní proud tyristoru po vnějším sepnutí hlavních obvodů klesne na nulu, a okamžikem, kdy určité hlavní napětí projde nulou bez sepnutí tyristoru;

• kritická rychlost nárůstu napětí v sepnutém stavu (U_zs /dt)_cr— nejvyšší hodnota rychlosti nárůstu napětí v sepnutém stavu, která nezpůsobí přepnutí tyristoru ze sepnutého stavu do otevřeného;

• kritická rychlost nárůstu spínacího napětí (U_zs /dt)_com— nejvyšší hodnota rychlosti nárůstu hlavního napětí, která po zatížení proudem v otevřeném stavu nebo reverzně vodivém stavu v opačném směru nezpůsobí přepnutí tyristoru ze sepnutého stavu do otevřeného.

Volgogradská radioamatérská stránka ra4a. odkaz.

Moskatov E. A. Kniha „Elektronická technologie. Start“

7. Tyristory

7.1. Obecné informace o tyristorech

Tyristory jsou spínací polovodičové součástky, které mají čtyři nebo více vrstev a tři nebo více střídavých přechodů elektron-díra. Jako polovodič se obvykle používá křemík. Skupina tyristorů zahrnuje dinistory, tyristory, uzamykatelné tyristory a triaky. Všechny tyristory mají úsek záporného diferenciálního odporu na charakteristice proud-napětí. Tyristory se vyrábějí především difúzní technologií.

Maximální proudová amplituda některých tyristorů může dosáhnout desítek tisíc ampér a napětí anody-katody může dosáhnout několika kilovoltů. Po zapnutí je mezi vývody anoda-katoda tyristorů zbytkové napětí, obvykle v rozmezí 1,2 V až 2,5 V.

7.2. Dinistoři

Dinistor, nebo jinak řečeno diodový tyristor, je spínací součástka se dvěma vývody, která přechází do otevřeného stavu při překročení určitého napětí, které je přivedeno mezi její vývody. Dinistory obsahují tři přechody elektron-díra. Schematické znázornění struktury dinistoru je uvedeno na Obr. 7.1.

Výstup z vnější zóny č₂ zvaná katoda a ze zóny p₁ – anoda. Zóny n₁ a str₂ se nazývají dinistorové báze. Přechod mezi zónami str₁, n₁ a str₂, n₂ se nazývá emitor a mezi zónami n₁ a str₂ – kolektorová křižovatka.

Pokud přivedeme malé záporné napětí ze zdroje energie na anodu dinistoru a kladné napětí na katodu, pak bude středový kolektorový přechod otevřený a vnější emitorové přechody budou uzavřeny. Zóny n₁ a str₂ nemohou překonat hlavní nosiče náboje vycházející z anody a katody, a proto nedosáhnou základny dinistoru. V důsledku toho protéká dinistorem malý zpětný proud způsobený menšinovými nosiči náboje a dinistor je uzavřen. Pokud přivedeme velmi velké záporné napětí na anodu dinistoru a vysoké kladné napětí na katodu, dojde k lavinovému průrazu, jak je vidět na proudově napěťové charakteristice dinistoru znázorněné na obr. 7.2.

I – úsek otevřeného stavu dinistoru, kde je jeho vodivost vysoká;

II – sekce záporného odporu;

III – průrazný úsek kolektorové křižovatky;

IV – sekce v přímém zapojení, kde je dinistor uzamčen a napětí přivedené na jeho svorky je menší, než je nutné pro vznik poruchy;

V – sekce zpětného zapnutí dinistoru;

VI – oblast lavinové poruchy.

Pokud přivedeme malé kladné napětí ze zdroje energie na anodu dinistoru a mírné záporné napětí na katodu, pak se kolektorový přechod uzavře a emitorové přechody se otevřou. Nosiče náboje pocházejí z katodové oblasti č₂ do zóny p₂ (elektronů) a z anodové oblasti p₁ do zóny n₁ (díry). V naznačených zónách bází se již nosiče náboje stanou menšinovými a v důsledku toho v těchto zónách dochází k rekombinaci nosičů náboje a díky tomu se sníží koncentrace volných nosičů náboje. Pole kolektorového přechodu se bude zrychlovat u nosičů náboje, které se staly menšinovými, které jej díky injektáži překonávají a ocitají se v zónách, kde budou opět většinové. V oblastech p₁ a n₂ tyto nosiče náboje se opět stanou menšinovými a znovu se rekombinují. Vlivem rekombinací nosičů náboje je vodivost dinistoru v sekci IV malá a malý je i zpětný proud, který jím protéká.

Pokud začnete zvyšovat konstantní napětí aplikované na dinistor v přímém spojení, pak se zvětší šířka kolektorového přechodu a rychlost nosičů náboje a intenzita rekombinace se zmenší a stejnosměrný proud dinistorem se pomalu zvýší. Čím větší je propustné napětí, tím intenzivnější bude nárazová ionizace, generující nové nosiče náboje, které při určitém spínacím napětí povedou k lavinovému rozpadu kolektorového přechodu. Průraz je doprovázen prudkým zvýšením vodivosti dinistoru v přímém spojení. Dinistor se otevře a malé zbytkové napětí na něm klesne.

Dinistory se používají v regulátorech a spínačích, které jsou citlivé na změny napětí.

7.3. SCR

Tyristor nebo jinak triodový tyristor je spínací součástka se třemi přechody elektron-díra a třemi vývody – anodou, katodou a řídicí elektrodou. SCR mají podobnou strukturu jako dinistory, ale rozdíl je v přítomnosti řídicí elektrody – přídavné svorky připojené k jedné ze základen. Pokud řídicí elektrodou tyristoru prochází odblokovací proud, tyristor přejde do otevřeného stavu. Podle toho, ke které z bází je připojena řídící elektroda, je možné zapnout SCR, když je mezi řídící elektrodu a buď anodu nebo katodu přivedeno odblokovací napětí. Proudově napěťová charakteristika trinistoru je podobná proudově napěťové charakteristice dinistoru. K odblokování tyristoru však obvykle dochází při výrazně nižším propustném napětí, než potřebuje dinistor, a otevření struktury tyristoru je způsobeno průtokem proudu řídicí elektrodou. Čím větší je proud řídicí elektrody, tím nižší je propustné napětí tyristoru, který přejde do otevřeného stavu, což se odráží v proudově-napěťové charakteristice tyristoru znázorněné na Obr. 7.3.

I – sekce, kde je tyristor otevřený;

II – oblasti se záporným odporem a porušení kolektorového přechodu;

III – úsek uzamčeného stavu tyristoru v přímé vazbě;

IV – sekce zpětného zapnutí dinistoru.

Když řídicí elektrodou protéká hradlový proud, zvyšuje se rychlost nosičů náboje, které jsou injektovány přes kolektorový přechod, což iniciuje nucenou bránu SCR. Neuzamykatelný tyristor po zapnutí nereaguje na změny proudu řídicí elektrody. Pro uzavření SCR je nutné snížit proud protékající anodou a katodou pod přídržný proud, nebo změnit polaritu napětí přivedeného mezi anodu a katodu. Pokud je řídicí elektroda tyristoru bez napětí, funguje tyristor úplně stejně jako dinistor. U neuzamykatelných tyristorů zabírá řídicí elektroda malou plochu polovodičového krystalu, přibližně několik procent.

SCR jsou široce používány v regulátorech výkonu, stykačích, klíčových měničích a invertorech atd. Některá omezení pro použití SCR jsou dána jejich částečnou ovladatelností.

7.4. Uzamykatelné tyristory

Vypínací tyristory jsou na rozdíl od dříve diskutovaných SCR plně řiditelné součástky a vlivem proudu řídící elektrody mohou přecházet ze sepnutého stavu do otevřeného a naopak. K vypnutí vypínacího tyristoru musí řídicí elektrodou procházet proud opačné polarity, než je polarita, která způsobila zapnutí součásti. Pro uzavření původně otevřeného vypínacího tyristoru je nutné snížit součet součinitelů přenosu proudu emitoru pod jednotku a ochudit báze nosičů náboje, k čemuž musí být řídicí elektroda rozmístěna po krystalu polovodiče. K tomu je řídicí elektroda vypínacího tyristoru, stejně jako katoda, vyrobena z mnoha článků stejného typu, rozmístěných určitým způsobem po ploše krystalu. Důležitým parametrem uvažovaných tyristorů je vypínací koeficient, který se rovná poměru anodového proudu k zpětnému proudu řídící elektrody potřebného k vypnutí součástky.

Uzamykatelné tyristory se obvykle používají v technologii převodníků jako elektronické klíče.

7.5. Triaky

Triaky, na rozdíl od konvenčních tyristorů, vedou proud anoda-katoda, když proud protéká řídicí elektrodou, a to jak v propustném, tak ve zpětném směru. Díky tomu je jejich proudově-napěťová charakteristika symetrická, což se odráží na Obr. 7.4.

Na proudově-napěťové charakteristice každého triaku jsou tedy dvě sekce záporného diferenciálního odporu.

Struktura triaku obsahuje pět vrstev, jak je znázorněno na obr. 7.5.

K řídící elektrodě, která je odstraněna ze zóny n₃, propojte výstup záporného napětí přijatého ze zdroje energie vzhledem k výstupu z p zón₂, n₄, v důsledku čehož elektrony z n zóny₃ vstřikovat do zóny p₂. Do zón p navíc přivedeme napětí ze zdroje s kladným pólem₁, n₁, a záporný pól k zónám p₂, n₄. Přechody P₁ a P₄ otevřené a hrají roli emitorových přechodů a přechodu P₂ je uzavřený a plní funkce kolektorového přechodu a proud protéká triakem podél vývodů anoda-katoda.

Nyní změňme polaritu a přivedeme napětí se záporným pólem na p zóny₁, n₁, a kladný pól k zónám p₂, n₄. Přechody P₁ a P₄ uzavřený a přechod P₁ plní funkce kolektorového přechodu a přechodu P₂ je otevřená a slouží jako kolektorový přechod a proud protéká triakem a v tomto případě vývody anoda-katoda.

Triaky našly široké uplatnění v zařízeních pro regulaci rychlosti otáčení elektromotorů, v osvětlovacích systémech, v elektrických ohřívačích a v instalacích měničů.

7.6. Fototyristory

Fototyristor je speciální tyristor, u kterého je (u diskrétního provedení) opatřeno okénkem, při ozáření světelným tokem přechází tyristor do otevřeného stavu. Při ozáření celého krystalu polovodiče nebo jen oblasti mezi katodou a řídící elektrodou tyristoru vlivem fotonů dochází k fotogeneraci nosičů náboje a čím intenzivnější je světelný tok, tím větší proud protéká tyristor. Při dostatečném osvětlení se proud přes vývody anoda-katoda tyristoru jako lavina zvyšuje, což způsobí otevření tyristoru. Doba aktivace fototyristorů může dosáhnout několika mikrosekund. Je třeba poznamenat, že spektrum světla, kterým je polovodičová struktura ozařována, musí být přizpůsobeno určité vlnové délce, na kterou je fototyristor nejcitlivější. Materiál fototyristorů, stejně jako standardních tyristorů, je obvykle křemík. Gallium arsenid se zřídka používá jako hlavní materiál nízkovýkonových vysokorychlostních tyristorů.

Některé fototyristory umožňují spínací proudy až stovek ampér při napětí anoda-katoda v řádu desítek kilovoltů a zajišťují galvanické oddělení řídicího systému a výkonného obvodu. Tím odpadá nutnost připojovat mezi řídicí zařízení a fototyristor drahý, nespolehlivý a velkorozměrový vysokonapěťový transformátor, který by byl nutný pro galvanické oddělení klasického tyristoru připojeného k vysokonapěťovému obvodu vůči země.

7.7. Základní parametry tyristorů

Některé z nejdůležitějších parametrů tyristorů zahrnují následující:

• Amplituda opakovaného pulzního napětí, které je aplikováno na uzavřený tyristor, B.
• Délka zapnutí, tzn. takový časový úsek, během kterého přejde tyristor do otevřeného stavu vlivem proudového impulsu procházejícího řídicí elektrodou, ms.
• Kritická rychlost nárůstu napětí na uzavřeném tyristoru, tzn. hodnota maximální rychlosti nárůstu napětí, která nepovede k odblokování tyristoru, dU / dt.
• Zapínací napětí, tzn. je napětí aplikované na dinistor, při kterém přechází do otevřeného stavu, V.
• Spínací napětí, tzn. napětí přivedené na tyristor během spínání, V.
• Neopakující se rázový proud tyristoru v otevřeném stavu, tzn. maximální přípustný proud otevřeným tyristorem, který nezpůsobí selhání součásti během krátkodobé expozice, po které se síla proudu výrazně sníží, A.
• Konstantní zpětný proud protékající vývody anoda-katoda tyristoru v sepnutém stavu, mA.
• Maximální přípustná amplituda proudových impulsů procházejících vývody anoda-katoda otevřeného tyristoru, A.
• Maximální přípustný stejnosměrný proud přes svorky anoda-katoda otevřeného tyristoru, A.
• Blokovací proud, tzn. takový proud protékající řídicí elektrodou, který iniciuje přechod tyristoru z otevřeného stavu do uzavřeného stavu, A.
• Přídržný proud, tzn. minimální proud takové síly, pod jehož vlivem tyristor nepřejde do uzavřeného stavu, A.