Spis treści:
- 1 Tyristory - Jednosměrné elektrické ventily
- 2 Tyristory - přehled
- 3 Co je tyristor?
- 4 Použití tyristorů
- 5 Vznik tyristorů v elektronice
- 6 Jak funguje tyristor - ekvivalentní schéma
- 7 Symbol tyristoru na schématech zapojení
- 8 Polovodičová struktura SCR tyristoru
- 9 Tyristory GTO
- 10 Polovodičová struktura tyristorů GTO
- 11 Princip činnosti tyristoru GTO
- 12 Technické vlastnosti tyristorů
Polovodičové součástky a zařízení mají zásadní význam při vývoji elektronických obvodů s nízkou spotřebou energie i s vysokým proudem. Seznamte se s tyristory!
Tyristory - Jednosměrné elektrické ventily
V tomto článku se budeme zabývat tyristory, polovodičovými součástkami, které fungují jako jednosměrné elektrické ventily. Používají se především v silových obvodech s vysokým napětím – od několika set voltů až po desítky kilovoltů.
Tyristory - přehled
Tyristory, označované také jako SCR (Silicon Controlled Rectifiers), jsou polovodičové součástky, které se používají v mnoha aplikacích řízení toku elektrické energie, často tam, kde jsou hodnoty proudu a napětí poměrně vysoké. Tyristory lze použít i v aplikacích s nižším příkonem, včetně řízení osvětlení a ochrany energetických systémů.
Jsou jednoduché na použití a levné na pořízení, takže jsou ideální volbou pro mnoho obvodů. Historie tyristorů sahá až do roku 1950, kdy ji zahájil William Shockley – jeden z vynálezců prvního prototypu tranzistoru.
Přestože se výzkumu polovodičových zařízení o několik let později ujali další inženýři, k jeho realizaci došlo až počátkem 60. let. V 70. letech XX. století se tyristory staly dostupnějšími a oblíbenějšími v elektronických spínacích a výkonových systémech.
Co je tyristor?
Tyristor lze považovat za poměrně neobvyklou formu polovodičové součástky, protože se skládá ze čtyř vrstev různě dopovaného křemíku, nikoli ze tří běžných vrstev, jako je tomu například u bipolárních tranzistorů. Zatímco konvenční bipolární tranzistory může mít strukturu p-n-p nebo n-p-n s elektrodami označovanými jako kolektor, báze a emitor, tyristor má strukturu p-n-p-n s vnějšími vrstvami, jejichž elektrody se označují jako anoda (p-typ ) a katoda (n-typ). Třetím vodičem tyristoru je řídicí elektroda, tj. hradlo, které je připojeno k vrstvě typu p sousedící s vrstvou katody.
Tyristory se obvykle vyrábějí z křemíku. Je nejlepší volbou pro své celkové fyzikální a elektrické vlastnosti, protože snadno odolává napětím a proudům potřebným pro vysoce výkonné aplikace.
Kromě toho má dobré tepelné vlastnosti. Dalším důležitým důvodem je, že křemíková technologie je dobře zavedená a široce používaná v různých polovodičových zařízeních. Výrobci polovodičů tak mohou své elektronické součástky používat velmi levně a snadno.
Použití tyristorů
Tyristory se používají v mnoha oblastech elektroniky. Mezi nejběžnější způsoby použití patří:
- řízení napájení spotřebičů střídavého proudu (včetně osvětlení, motorů atd.);
- přepěťové ochrany pro napájecí zdroje;
- usměrňovače spouštěné fázovým úhlem (tzv. úhel zapálení tyristoru);
- zapalovací zařízení pro benzínové motory;
- fotografické zábleskové jednotky, kde tyristory fungují jako elektronický spínač, který vybíjí akumulované napětí přes zábleskový kondenzátor a poté jej v požadovaném čase odpojí.
Vznik tyristorů v elektronice
Myšlenku tyristoru poprvé popsal William Shockley v roce 1950. Byl označován jako bipolární tranzistor s p-n háčkovým kolektorem. Mechanismus této operace analyzoval v roce 1952 Jewell James Ebers. V roce 1956 pak John Louis Moll zkoumal spínací mechanismus tyristoru. První tyristory byly k dispozici na počátku 60. let XX. století, kdy se začaly prosazovat spínací obvody v energetických systémech. Společnost General Electric, která svá zařízení uváděla na trh, používala pro tyristor termín“křemíkem řízený usměrňovač” nebo SCR, protože vedl pouze v jednom směru a byl regulovatelný. Společnost používala název SCR jako ochrannou známku pro své výrobky.
Jak funguje tyristor - ekvivalentní schéma
Princip fungování tyristoru se liší od ostatních polovodičových součástek. Za normálních okolností neprotéká tyristorem žádný proud (od anody ke katodě). Pokud je však na anodu přivedeno dostatečně vysoké napětí oproti katodě a na hradlo je přiveden malý řídicí proud, tyristor se zapne a začne vést. Kromě toho zůstane tyristor ve vodivém stavu, dokud se neodpojí napájení (tok proudu z anody do katody). Zjednodušeně lze tyristor považovat za dva tranzistory spojené dohromady, jak je znázorněno na obr. 1. Tranzistor s emitorem připojeným ke katodě tyristoru je n-p-n tranzistor, zatímco druhý tranzistor s emitorem připojeným k anodě tyristoru je p-n-p tranzistor. Naproti tomu hradlo je připojeno k bázi tranzistoru NPN.
Když je na tyristor přivedeno napětí, neprotéká žádný proud, protože žádný z tranzistorů nevede. Pokud je však na hradlo přivedeno napětí, způsobí to průtok proudu do báze, což vede k tomu, že se na hradle objeví zapnutí tranzistoru n-p-n. Když je tranzistor n-p-n zapnutý přitahuje bázi tranzistoru p-n-p, což způsobí jeho zapnutí, a to zase protlačí proud bází tranzistoru n-p-n, což znamená, že tyristor zůstane zapnutý, i když je napětí na hradle odstraněno.
Symbol tyristoru na schématech zapojení
Tyristor SCR je polovodičové zařízení, které má mnoho vlastností. Má tři svorky: anodu, katodu a hradlo, což odráží technologii termoelektrického ventilu nebo vakuové trubice v triodovém uspořádání. Brána je řídicí svorka, zatímco hlavní proud teče mezi anodou a katodou. Jak si můžete představit ze symbolu obvodu na obr. 2 je tyristor jednosměrný ventil, což dalo vzniknout názvu křemíkový řízený usměrňovač GE. Proto bude tyristor při použití se střídavým proudem pracovat maximálně po dobu poloviny periody základní složky (pro elektroenergetickou síť 50 Hz je to 10 ms).
Během provozu tyristor zpočátku nevede žádný proud. Aby se spustil, musí se na hradlo přivést napětí. Po spuštění zůstane tyristor ve vodivém stavu, dokud se napětí na anodě a katodě neodstraní – to se samozřejmě stane na konci půlcyklu, ve kterém tyristor vede. Další půlcyklus bude blokován usměrňovačem. K opětovnému spuštění tyristoru bude zapotřebí proud v obvodu hradla. Tímto způsobem lze tyristor použít jako elektronický spínač.
Symbol tyristoru použitý na schématech zapojení (obr. 2) má za cíl zdůraznit vlastnosti usměrňovače a zároveň zobrazit řídicí hradlo. Symbol tyristoru tak představuje tradiční symbol diody s řídicím hradlem na přechodu anoda-katoda.
Polovodičová struktura SCR tyristoru
Tyristor se skládá ze čtyřvrstvé struktury p-n-p-n, jejíž vnější vrstvy se označují jako anoda (typ p) a katoda (typ n). Řídicí konec tyristoru se nazývá hradlo a je připojen k vrstvě typu p umístěné vedle katody. Tyristor má proto tři konektory.
Ačkoli je možné použít mnoho různých materiálů tyristorů, nejoblíbenější je křemík. Poskytuje dobrou tepelnou vodivost a vysoký napěťový a proudový výkon. Další výhodou je, že procesy pro křemík jsou vyspělejší, a tudíž levnější než procesy pro jiné materiály, jako jsou např. karbid křemíku (SiC), nitrid galia (GaN), diamant (alotropická odrůda uhlíku) nebo polovodičový materiál s arsenidu galia (GaAs), které podle studie vykazovaly slibné vlastnosti v extrémních podmínkách vysokého výkonu, vysoké teploty a vysoké frekvence.
Úroveň dopování je v různých vrstvách tyristoru různá. Katoda je nejsilněji dopovaná, zatímco hradlo a anoda jsou dopovány o něco méně. Nejnižší úroveň dopování je v centrální vrstvě typu n, která je silnější než ostatní vrstvy – tyto dva faktory umožňují zvládnout vysoké zpětné blokovací napětí.
Vzhledem k velmi vysokým proudům a výkonům, které některé tyristory spínají, mají tepelné parametry zásadní význam. Anoda řízeného tyristoru je obvykle připojená k obalu, protože svorka hradla je blízko katody a musí být připojena samostatně. To se provádí tak, aby se teplo z křemíku odvádělo do pouzdra. Kromě vnitřních aspektů je třeba pečlivě dbát i na vnější aspekty odvodu tepla tyristoru, jinak může dojít k přehřátí součástky a jejímu trvalému selhání. Mnoho menších tyristorů se montuje do standardních pouzder řady TO, zatímco větší tyristory mají mnohem větší obrysy, ale jsou určeny k přišroubování k chladiči. Navzdory jejich účinnosti je energie stále odváděna jako teplo a musí být odváděna ven.
Tyristory GTO
Tyristor GTO (Gate Turn-Off) vychází ze základní technologie tyristorů, ale má možnost vypnutí působením hradla. Tyristor GTO je variantou standardní formy tyristoru. Místo toho, aby hradlo sloužilo k zapnutí tyristoru v GTO, vypíná tyristor z vodivého stavu impuls hradla. Další možnosti tyristoru GTO umožňují jeho použití v aplikacích, kde by standardní tyristor nebyl vhodný. Přestože jsou jeho možnosti omezenější, lze jej použít v mnoha specializovaných aplikacích. Tyristory GTO jsou užitečné v řadě oblastí, zejména v pohonech motorů s proměnnými otáčkami, ve vysokém výkonu, v měničích a podobných oblastech.
Přestože nejsou tak známé jako standardní formy tyristorů, jsou dnes tyristory GTO široce používány, protože jsou schopny překonat mnoho nevýhod tradičních tyristorů. Tyristor GTO se proto používá prakticky ve všech vysokonapěťových statických měničích typu DC/AC a DC/DC.
Tyristor GTO se zapíná kladným proudovým impulsem mezi svorkami hradla a katody. Protože se hradlo-katoda chová jako p-n přechod, je mezi svorkami relativně malé napětí. Spínací jev v GTO však není tak spolehlivý jako u standardního tyristoru – pro zvýšení spolehlivosti je třeba udržovat malý kladný proud hradlem i po zapnutí.
Polovodičová struktura tyristorů GTO
Stejně jako standardní tyristor je i tyristor GTO polovodičové zařízení se čtyřvrstvou strukturou se třemi přechody. Vrstvy jsou p-n-p-n, přičemž vnější p vrstva zajišťuje spojení s anodou a vnější n vrstva zajišťuje spojení s katodou.
Katodová vrstva je silně dopovaná, aby bylo dosaženo vysoké účinnosti emitoru a oblasti n+. To má tu nevýhodu, že přechod nejblíže ke katodě má nízké průrazné napětí – obvykle mezi 20 a 40 V. Stupeň dopování p-oblasti hradla je odstupňován. To má zajistit dobrou účinnost emitoru, pro kterou by měla být úroveň dopování nízká, a zároveň dobré spínací vlastnosti, pro které je nutná vysoká úroveň dopování.
Elektroda hradla je často umístěna mezi vrstvami, aby se optimalizovala schopnost vypnout proud. Silnoproudá zařízení, tj. 1000 A a vyšší, mohou mít několik tisíc segmentů, které jsou připojeny ke společnému kontaktu hradla.
Dalším klíčovým parametrem tyristoru GTO je maximální blokovací napětí vedení (zpětné napětí). To je dáno úrovní dopování a tloušťkou oblasti báze typu n. Vzhledem k tomu, že mnoho zařízení může vyžadovat blokovací napětí v řádu několika kilovoltů, musí být úroveň dopování v této oblasti udržována na relativně nízké energetické úrovni.
Princip činnosti tyristoru GTO
Mnoho aspektů tyristoru GTO s blokováním hradel je velmi podobných běžnému tyristoru. Lze si jej představit jako jeden p-n-p tranzistor a jeden n-p-n tranzistor kombinovaný v regenerativní konfiguraci, která udržuje systém v tomto stavu při zapnutí. Na obr. 3 ukazuje náhradní schéma zapojení tyristoru GTO.
Když je na hradlo tyristoru GTO přiveden potenciál, neprotéká mezi anodou a katodou žádný proud. Proud teče pouze tehdy, když napětí překročí průrazné napětí a proud teče v důsledku lavinového působení, ale tento režim by nebyl pro běžný provoz žádoucí.
V tomto stavu je tyristor záporně polarizován ve směru vedení. K zapnutí tyristoru GTO je nutné přivést proud do obvodu hradla zařízení. Jakmile se tak stane, zapne se tranzistor p-n-p na schématu. Tím se kolektor tranzistoru stáhne směrem dolů k emitorovému napětí, které následně zapne druhý tranzistor, n-p-n. Skutečnost, že tranzistor p-n-p je nyní zapnutý, zajišťuje, že proud teče do báze tranzistoru n-p-n, takže tento zpětnovazební proces zajišťuje, že když je hradlo tyristoru vypnuté, zůstane jako každý jiný tyristor zapnuté.
Klíčovou vlastností tyristoru s vypnutým proudem na hradle je jeho schopnost vypínat se elektrodou na hradle zařízení. Deaktivace zařízení se dosáhne záporným nastavením hradla vůči katodě. Proud tekoucí z oblasti báze tranzistoru n-p-n způsobí na bázi úbytek napětí, který začne obracet polaritu přechodu, a tím zastaví proud tekoucí v tranzistoru p-n-p – to pak zastaví proud tekoucí do oblasti báze tranzistoru n-p-n, a tím se zabrání toku proudu v tranzistoru.
Co se týče fyziky vypínací fáze, bylo zjištěno, že během vypínací fáze tyristoru GTO se proud shlukuje do proudových vláken s rostoucí hustotou v oblastech nejvzdálenějších od oblasti hradla. Tyto oblasti s vysokou hustotou proudu se zahřívají a mohou způsobit poruchu spotřebiče, pokud proud rychle neuhasne. Když proud přestane téct a vyčerpané vrstvy kolem přechodů se zvětší, tyristor GTO se opět dostane do stavu zpětného vedení. Ačkoli se tyristor GTO podobá standardnímu tyristoru, jeho hlavní rozdíl spočívá v tom, že má možnost vypnutí napětím na hradle. To poskytuje větší možnosti zařízení a použití tyristoru GTO v aplikacích, kde nelze použít standardní tyristor SCR. Proto je tyristor s vypnutým proudem na hradle užitečným polovodičovým zařízením pro mnoho nestandardních aplikací.
Technické vlastnosti tyristorů
Při výběru tyristorů pro projekt je nezbytné věnovat pozornost jejich nejdůležitějším technickým parametrům, aby bylo dosaženo správné funkce. Mezi nejdůležitější parametry tyristorů patří:
- maximální nárůst proudu ve vodivém stavu tyristoru (dI/dt);
- spouštěcí proud hradla (IGT);
- maximální proud hradla (IGM);
- proud nadproudové pojistky, která vypne při překročení proudu na dobu delší než 10 ms (I2t);
- jmenovitá průměrná hodnota anodového a katodového proudu ve vodivém stavu (IT(AV));
- jmenovitá efektivní hodnota anodového a katodového proudu ve vodivém stavu (IT(RMS));
- přípustný jednorázový nadproud po dobu maximálně 10 ms (ITSM);
- teplota přechodu anoda-katoda ve vodivém stavu (TJ);
- skladovací teplota (TSTG);
- maximální spouštěcí napětí hradla (VGT);
- maximální napětí při vypnutém tyristoru (VDRM);
- maximální reverzní blokovací napětí (VGRM).
