Co to jest Tyrystor i do czego służy?

Tyrystor to jeden z podstawowych elementów stosowanych w energoelektronice. Pomimo upływu lat, nadal są chętnie stosowane w wielu miejscach. Mają kilka cennych właściwości, którymi nie cechuje się żaden inny element półprzewodnikowy. Zapraszam do lektury!

Co to jest tyrystor?

Tyrystor ma strukturę, która składa się z czterech warstw półprzewodnika. Każda z nich jest inaczej domieszkowana i pełni inną funkcję. Dla porównania, dioda ma dwie warstwy, a tranzystor bipolarny - trzy.

Najpierw o półprzewodniku

Od sposobu domieszkowania zależy rodzaj przewodnictwa, jaki uzyskamy w danym obszarze. Wstrzyknięcie do krzemu dodatkowych atomów, które posiadają 5 elektronów walencyjnych, spowoduje pojawienie się wolnych elektronów. Takie domieszkowanie nazywamy donorowym (ponieważ te atomy “dają” od siebie elektron) i oznaczamy literką n - od negative. Te elektrony mają ładunek ujemny.

Inny rodzaj domieszkowania, oznaczany literą p - od positive, czyli dodatni - znajduje się w obszarach z dodanymi atomami o 3 elektronach walencyjnych. Wtedy krzem, który ma 4 elektrony na ostatniej orbicie, nie może utworzyć jednego wiązania. Powstaje tak zwana dziura, czyli obiekt niematerialny o ładunku dodatnim. Ten miejscowy niedobór elektronu może się przemieszczać w obrębie struktury.

Budowa tyrystora

Czterowarstwowa struktura tyrystora ma doprowadzone trzy elektrody. Są to:

• anoda (A)
• katoda (K lub C)
• bramka (G)

Są ułożone w następujący sposób. Można ją przyrównać do dwóch tranzystorów bipolarnych - npn i pnp - połączonych ze sobą. Taki układ tranzystorów naprawdę będzie zachowywał się jak tyrystor, chociaż jego parametry są mizerne.

W takiej strukturze są aż trzy złącza pn. Tworzy je każdy obszar styku warstw o różnych rodzajach przewodnictwa. Symbol tyrystora wygląda jak dioda z oddzielnym wyprowadzeniem.

Jak działa tyrystor?

W normalnej sytuacji, po podłączeniu zasilania, przez tyrystor nie płynie prąd. Aby chciał, trzeba anodę spolaryzować dodatnio względem katody - identycznie, jak w przypadku diody. Ale nie będzie płynął.

Dlaczego? Ponieważ tyrystor nie został jeszcze wprowadzony w stan przewodzenia. To go odróżnia od diody, że możemy wybrać moment jego otwarcia, czyli rozpoczęcia przewodzenia. W diodach nie mamy takiej możliwości: jeżeli napięcie przekracza napięcie progowe, ona zaczyna przewodzić i robi to tak długo, jak długo jest spolaryzowana.

Otwarcie tyrystora

Aby “uruchomić” tyrystor, czyli skłonić go do przewodzenia, trzeba spolaryzować w kierunku przewodzenia jego złącze numer 3. Bramka musi znaleźć się na potencjale o około 0,7V wyższym niż katoda, żeby popłynął przez nią prąd. Wartość tego napięcia jest nieprzypadkowa: pojedyncze złącze pn ma właśnie takie napięcie przewodzenia.

W tej sytuacji, złącze 3 jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze 2 zaporowo. Elektrony z obszaru katody (typu n) poruszają się w lewo, a dziury z obszaru bramki (typu p) w prawo. Ale te elektrony mogą przelecieć przez obszar bramki i dotrzeć do złącza 2. To powoduje jego otwarcie.

W tej chwili bramka traci kontrolę nad tyrystorem, ponieważ zaczyna płynąć prąd między anodą i katodą. Prąd bramki nie jest już do niczego potrzebny, można go odłączyć i tyrystor będzie przewodził nadal.

Dlaczego się tak dzieje?

W tyrystorze zachodzi mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego. Otwierające się jedno złącze pobudza drugie do tego samego. Taka samonapędzająca się reakcja jest bardzo szybka - to jeden z najszybszych procesów, jaki możemy uzyskać w typowych elementach elektronicznych.

Można to lepiej zrozumieć patrząc na model złożony z dwóch tranzystorów.

Dopóki przełącznik jest rozwarty, oba tranzystory pozostają zatkane. Jednak wystarczy zewrzeć jego styki chociaż na krótką chwilę, aby tranzystor TR2 (npn) otrzymał impuls prądu bazy, który do niej wpływa. To powoduje jego otwarcie, czyli spróbuje wejść w stan nasycenia.

Robiąc to, wyciąga prąd kolektorem z bazy tranzystora TR1 (pnp), To również powoduje jego otwarcie, on z kolei wypycha prąd ze swojego kolektora. A dokąd ten prąd popłynie? Do bazy TR2. Spowoduje to podtrzymanie jego przewodzenia.

Tutaj również nastąpiło dodatnie sprzężenie zwrotne między tymi tranzystorami: otwierający się TR2 otworzył jednocześnie TR1, a otwierający się TR1 przyspieszył otwieranie TR2. W tym stanie tranzystory mogą trwać dowolnie długo.

Jak wyłączyć tyrystor?

Tego mechanizmu nie da się przerwać. Nie mamy możliwości “wniknięcia” w krzemową strukturę i zahamowania przepływu nośników, od których ona aż kipi. Jedyną możliwością jest odłączenie zasilania, czyli przerwanie dopływu prądu anody. Wtedy wszystko wróci do stanu spoczynkowego.

Jednak używanie zwykłego przełącznika do tego celu byłoby niewygodne - choć i takie układy istnieją. Częściej jednak bazujemy na “naturalnym” wyłączeniu tyrystora, które nastąpi, kiedy prąd z oczywistych powodów spadnie do zera. Kiedy taka sytuacja występuje?

Na przykład, w układach zasilanych napięciem przemiennym. Cała sieć elektroenergetyczna się nim posługuje. Ma różne wartości - dla przykładu, w gniazdkach mamy napięcie zmienne sinusoidalnie o wartości skutecznej 230V, czyli szczytowej około 325V. W stacjach transformatorowych są stosowane napięcia 15kV i wyższe. Nie ma to jednak znaczenia, bowiem istotniejszy jest jeden, mały punkt - przejścia napięcia przez zero. Wtedy tyrystor ulega wyłączeniu.

Po co nam tyrystory?

Ktoś mógłby zapytać: do czego może przydać się element, który możemy włączyć, ale nie da rady nim potem nijak sterować? I jeszcze musimy poczekać na jego wyłączenie? Owszem, to są pewne wady, ale zalety przeważają nad nimi.

Niskie napięcie przewodzenia

Tyrystory, po załączeniu, mają napięcie przewodzenia rzędu 1V. Co ciekawe, ono w niewielkim stopniu zależy od natężenia płynącego prądu. Moc strat cieplnych rośnie więc liniowo ze wzrostem natężenia prądu, a nie kwadratowo, jak w przypadku tranzystorów MOSFET.

Szybkie otwieranie

Typowy tyrystor otwiera się w pełni po upływie zaledwie 1...2μs od podania mu prądu bramki. Zwykły tranzystor dużej mocy by tego nie potrafił. To z kolei ma wpływ na generowane straty. Element, który nie otworzył się w pełni, wydziela na sobie jeszcze większe ilości ciepła, niż w stanie pełnego przewodzenia.

Napięcia i prądy

Tyrystory stosowane w przemyśle mogą przewodzić prądy rzędu dziesiątek, a nawet setek kiloamperów przy napięciach wynoszących wiele kilowoltów. Żaden inny element by tego nie zniósł. Dlatego, pomimo problemów ze sterowaniem tyrystorami, trzeba się z nimi “przeprosić”, ponieważ potrafią przewodzić olbrzymie prądy z relatywnie niewielkimi stratami.

Gdzie używamy tyrystorów?

Obszarów ich stosowania jest kilka, ale dwa należą do najważniejszych.

Regulatory mocy

Przy użyciu tyrystorów możemy łatwo sterować mocą dostarczaną do odbiornika. Wystarczy włączać je w trakcie trwania sinusoidy napięcia, aby na obciążeniu odłożyła się tylko ta część, która pozostanie do przejścia przez zero. Podczas następnej połowy okresu trzeba zrobić to samo. Ten mechanizm nosi nazwę sterowania fazowego. Wydawać by się mogło, że jest nieco uciążliwy, ale dla elektroniki - zwłaszcza współczesnej - to naprawdę nie jest wyzwanie.

Inaczej działa sterowanie grupowe, gdzie przepuszczamy pełne okresy sinusoidy, lecz co pewien czas. Jest mniej dokładne, ale generuje znacznie mniej zakłóceń elektromagnetycznych niż sterowanie fazowe.

Prostowniki sterowane

Jeżeli tyrystorów użyjemy zamiast diod w prostowniku, będziemy mieli wpływ na wartość wyprostowanego napięcia stałego. Zasada działania jest taka sama, jak w przypadku regulacji fazowej: włączamy je na niepełną część okresu.

Można w ten sposób uzyskać napięcie wyprostowane do ładowania akumulatorów kwasowych lub zmieniać wartość wyprostowanego napięcia sieciowego - na przykład, do regulacji mocy silników prądu stałego.

Podsumowanie

Tyrystory to użyteczne elementy elektroniczne. Pomimo pewnych wad, związanych ze sterowaniem, mają liczne zalety. To one powodują, że tyrystory są produkowane i rozwijane przez wiele firm aż do dzisiaj. Co więcej, ich koniec nie nadejdzie szybko, ponieważ nie mają sobie równych w świecie podzespołów energoelektronicznych, dopiero tranzystory IGBT powoli je wypierają.