Urządzenie i parametry tyrystorów

Tyrystor to urządzenie półprzewodnikowe z trzema (lub więcej) złączami p-n, których charakterystyka prądowo-napięciowa ma sekcję ujemnej rezystancji różnicowej i która służy do przełączania w obwodach elektrycznych.

Najprostszym tyrystorem z dwoma wyjściami jest tyrystor diodowy (dynistor). Tyrystor triodowy (SCR) posiada dodatkowo trzecią (sterującą) elektrodę. Zarówno tyrystory diodowe, jak i triodowe mają budowę czterowarstwową z trzema złączami p–n (rys. 1).

Obszary końcowe p1 i n2 nazywane są odpowiednio anodą i katodą, elektroda sterująca jest połączona z jednym ze środkowych obszarów p2 lub n1. P1, P2, P3- przejścia między regionami p- i n-.

Źródło E zewnętrznego napięcia zasilającego jest podłączone do anody biegunem dodatnim względem katody. Jeżeli prąd Iu przez elektrodę kontrolną tyrystora triodowego wynosi zero, jego działanie nie różni się od działania diody. W niektórych przypadkach wygodnie jest przedstawić tyrystor jako obwód równoważny dwóm tranzystorom, wykorzystując tranzystory o różnych typach przewodnictwa elektrycznego p-n-p i n-R-n (ryc. 1, b).

Figa. 1.Budowa (a) i dwutranzystorowy obwód zastępczy (b) tyrystora triodowego

Jak widać z rys. 1, b, przejście P2 jest przejściem ze wspólnym kolektorem dwóch tranzystorów w obwodzie zastępczym, a przejścia P1 i P3 są złączami emiterowymi. Wraz ze wzrostem napięcia przewodzenia Upr (co uzyskuje się poprzez zwiększenie SEM źródła zasilania E) prąd tyrystora nieznacznie wzrasta, aż napięcie Upr zbliży się do pewnej krytycznej wartości napięcia przebicia, równej napięciu włączenia Uin (rys. 2).

Ryż. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa i konwencjonalne oznaczenie tyrystora triodowego

Przy dalszym wzroście napięcia Upr pod wpływem narastającego pola elektrycznego w przejściu P2 obserwuje się gwałtowny wzrost liczby nośników ładunku powstałych w wyniku jonizacji uderzeniowej podczas zderzenia nośników ładunku z atomami. W rezultacie prąd złącza gwałtownie wzrasta, gdy elektrony z warstwy n2 i dziury z warstwy p1 wpadają do warstw p2 i n1 i nasycają je nośnikami ładunku mniejszościowego. Przy dalszym wzroście pola elektromagnetycznego źródła E lub spadku rezystancji rezystora R prąd w urządzeniu wzrasta zgodnie z pionowym przekrojem charakterystyki I — V (ryc. 2)

Minimalny prąd przewodzenia, przy którym tyrystor pozostaje włączony, nazywany jest prądem trzymania Isp. Gdy prąd przewodzenia spadnie do wartości Ipr <Isp (gałąź opadająca charakterystyki I — V na ryc. 2), przywracana jest wysoka rezystancja połączenia i tyrystor wyłącza się. Czas powrotu rezystancji złącza p — n wynosi typowo 1 — 100 µs.

Napięcie Uin, przy którym zaczyna się lawinowy wzrost prądu, można zmniejszyć, wprowadzając dalej nośniki ładunku mniejszościowego do każdej z warstw sąsiadujących ze złączem P2. Te dodatkowe nośniki ładunku zwiększają liczbę działań jonizacyjnych w złączu P2 p-n, a zatem napięcie włączania Uincl maleje.

Dodatkowe nośniki ładunku w tyrystorze triodowym pokazane na ryc. 1, wprowadzane są do warstwy p2 obwodem pomocniczym zasilanym z niezależnego źródła napięcia. Stopień, w jakim napięcie włączenia maleje wraz ze wzrostem prądu sterującego, pokazuje rodzina krzywych na ryc. 2.

Przechodząc do stanu otwartego (włączonego), tyrystor nie wyłącza się, nawet gdy prąd sterujący Iy spadnie do zera. Tyrystor można wyłączyć albo obniżając napięcie zewnętrzne do określonej wartości minimalnej, przy której prąd staje się mniejszy niż prąd podtrzymujący, albo przez podanie ujemnego impulsu prądu do obwodu elektrody sterującej, którego wartość jednak , jest współmierna do wartości prądu przewodzenia Ipr.

Ważnym parametrem tyrystora triodowego jest odblokowujący prąd sterujący Iu on — prąd elektrody sterującej, który zapewnia przełączanie tyrystora w stanie otwartym. Wartość tego prądu sięga kilkuset miliamperów.

Figa. 2 widać, że po przyłożeniu napięcia wstecznego do tyrystora pojawia się w nim mały prąd, ponieważ w tym przypadku przejścia P1 i P3 są zamknięte. Aby uniknąć uszkodzenia tyrystora w kierunku wstecznym (co powoduje wyłączenie tyrystora z powodu przebicia termicznego suwu), napięcie wsteczne musi być mniejsze niż Urev.max.

W symetrycznych tyrystorach diodowych i triodowych odwrotna charakterystyka I — V pokrywa się z przednią. Osiąga się to poprzez antyrównoległe połączenie dwóch identycznych struktur czterowarstwowych lub zastosowanie specjalnych struktur pięciowarstwowych z czterema złączami p-n.

Ryż. 3. Budowa tyrystora symetrycznego (a), jego schematyczne przedstawienie (b) oraz charakterystyka prądowo-napięciowa (c)

Obecnie tyrystory produkowane są dla prądów do 3000 A i napięć załączania do 6000 V.

Głównymi wadami większości tyrystorów są niepełna sterowalność (tyrystor nie wyłącza się po usunięciu sygnału sterującego) i stosunkowo niska prędkość (dziesiątki mikrosekund). Ostatnio jednak powstały tyrystory, w których usunięto pierwszą wadę (tyrystory blokujące można wyłączyć prądem sterującym).

Potapow LA