Jak sprawdzić tyrystor - opis jego działania

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym, który zawiera aż 4 warstwy różnie domieszkowanego półprzewodnika - a nie 3, jak tranzystor bipolarny. Ta czwarta warstwa powoduje, że tyrystor działa zupełnie inaczej!

Co to jest tyrystor?

Struktura tyrystora ma układ p-n-p-n. Tę “kanapkę” można przyrównać do dwóch tranzystorów i to porównanie jest trafne - tranzystory połączone w ten sposób będą działały jak tyrystor. Oczywiście, jego parametry będą mizerne, ale zasada działania jest taka sama.

Jak to działa?

Symbol tyrystora to dioda z dodatkowym wyprowadzeniem. Ma to swój sens, ponieważ tyrystor przewodzi prąd od anody (A) w kierunku katody (K). Odwrotny kierunek przepływu prądu nie jest możliwy - tak samo, jak w diodzie prostowniczej. Dodatkowym wyprowadzeniem jest bramka, która służy do załączania tyrystora.

Tyrystor to element, który raz załączony, przewodzi już stale. Jedynym sposobem, aby go wyłączyć, jest chwilowa przerwa w zasilanym obwodzie, aby prąd zmalał do zera. Dlatego tyrystory stosujemy głównie w obwodach prądu przemiennego - na przykład, zasilanych z sieci energetycznej - ponieważ co pół okresu prąd przechodzi przez zero. Ta krótka chwila wystarczy, aby się wyłączył. W następnej połówce okresu trzeba go włączyć ponownie.

Czemu tyrystor tak się zachowuje?

Owe “zatrzaskiwanie” tyrystora jest charakterystyczne i nie każdy element tak się zachowuje. Przykładowo, tranzystor przestaje przewodzić kiedy zniknie sygnał sterujący jego bazą lub bramką, a tyrystor w takiej sytuacji przewodzi tak samo. Czas trwania tego przewodzenia również może być dowolnie długi - dopóki między anodą i katodą płynie prąd o odpowiednim natężeniu - nie ma obawy, że coś się rozładuje lub zużyje.

Odpowiedź na postawione pytanie przyniesie nam pokazany wcześniej schemat zastępczy. Kiedy oba tranzystory są zatkane, nic się nie dzieje, żaden prąd nie płynie. Jednak wystarczy wprowadzić tranzystor npn w stan przewodzenia, podnosząc potencjał jego bazy około 0,7V powyżej potencjału emitera, aby “machina ruszyła”.

Otwarty, nawet na krótką chwilę, tranzystor npn Q2 zaczyna swoim kolektorem “wciągać” prąd IC2. Skąd się on bierze? Z bazy drugiego tranzystora, pnp Q1, czyli jest to również prąd IB1. Wtedy tranzystor Q1 również się otwiera i zaczyna przewodzić prąd: od anody (IA) w kierunku bazy tranzystora Q2.

Od tego momentu sygnał sterujący staje się zbędny, ponieważ te tranzystory podtrzymują się wzajemnie: otwarty Q2 powoduje, że Q1 jest otwarty, a przez to Q1 daje prąd dla bazy Q2, aby ten mógł przewodzić. To jest typowy mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego: układ zostaje wytrącony z równowagi i wpada w nowy stan, co czyni z lawinową szybkością.

Po co nam tyrystory?

Tyrystory są przydatne do załączania obciążeń pobierających znaczny prąd - rzędu dziesiątek i setek amperów. Ale i w mniejszych urządzeniach można je znaleźć. Niewielkie tyrystory przez wiele lat królowały w sterownikach lampek choinkowych, kiedy na naszych świątecznych drzewkach wieszaliśmy łańcuchy żaróweczek. Od czasu upowszechnienia się diod LED, stosuje się w tym miejscu tranzystory.

Układy zasilania

Współczesna energoelektronika wykorzystuje je, na przykład, do budowy sterowanych prostowników. To takie urządzenia, w których diody zastąpiono tyrystorami - w całości lub przynajmniej ich część. Możemy wtedy kontrolować moment otwarcia się takiej diody, a przez to wartość skuteczną napięcia po wyprostowaniu. Poniżej jest poglądowy schemat sterowanego mostka Graetza:

Tyrystory są przydatne również do budowy regulatorów fazowych. Jeżeli tyrystor jest diodą, która przewodzi wtedy, kiedy tego chcemy, to wystarczy spiąć dwie antyrównolegle i załączać w odpowiednim momencie. Przez część sinusoidy będą przewodzić, a przez część nie, więc do obciążenia trafi tylko jej fragment. Zatem dostarczona moc będzie mniejsza od maksymalnej.

Przewaga nad tranzystorami

Po co nam element, który sprawia tyle problemów ze sterowaniem? Przecież tranzystor mógłby sprawdzić się w tej roli równie dobrze. Teoretycznie tak, chociaż jest pewne “ale”.

Główną zaletą tyrystorów jest ich szybkie załączanie się. Wbudowany mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego, który operuje w ramach struktury krzemowej powoduje, że załączenie się tyrystora jest najszybsze z możliwych. Czas, jaki do tego potrzebuje, wynosi 1...2μs. Tak szybka reakcja tranzystora dużej mocy, choćby najlepiej sterowanego, nie jest możliwa. Przełączenie tranzystora jest dodatkowo spowalniane przez efekt Millera.

Druga zaleta: po załączeniu tyrystora, jego napięcie anoda-katoda tyrystora spada do wartości około 1V i niemal nie zależy od natężenia płynącego prądu. To ważna cecha, ponieważ pozwala zredukować ilość wydzielanego ciepła - w porównaniu do tranzystorów MOSFET, które cechują się stałą rezystancją po włączeniu, więc zależność między natężeniem prądu a wydzielaną mocą jest kwadratowa, a nie liniowa.

Parametry maksymalne tyrystorów mogą być naprawdę imponujące. Podzespoły mogące przewodzić prąd do 120kA przy napięciu 10kV nie są niczym dziwnym.

Nie tylko do prądu przemiennego

Tego typu tyrystory, jak pokazany wyżej, są stosowane w obwodach prądu stałego, ale ich rola jest bardzo specyficzna. Otóż mają za zadanie rozładować baterię kondensatorów, uprzednio naładowaną do określonego napięcia, poprzez cewkę lub inny element np. zaciski zgrzewarki punktowej. W trakcie takiego wyładowania wydziela się olbrzymia ilość energii w bardzo krótkim czasie.

W jakim celu się stosuje takie układy? Przede wszystkim, w różnorakich eksperymentach fizycznych, ponieważ można przez krótką chwilę uzyskać prąd o bardzo wysokim natężeniu, rzędy dziesiątek kiloamperów. Ale nie tylko, można w ten sposób również zgrzewać przemysłowo metalowe elementy. Po takim wyładowaniu, podzespoły są studzone a kondensatory ładowane ponownie, nic nie ulega trwałej awarii.

Na tyrystorach nawet można wykonać falownik, czyli urządzenie do przekształcania prądu stałego w zmienny. Wystarczy tak dobrać elementy, aby rezonans odbiornika (np. cewki nagrzewnicy indukcyjnej) wymuszał przejście prądu przez zero w odpowiednim momencie. To wystarczy, aby tyrystory się wyłączyły.

Jak sprawdzić tyrystor?

Potencjalnie uszkodzony tyrystor należy wylutować z układu, odczytać jego oznaczenia i znaleźć notę katalogową. Z niej można poznać rozkład wyprowadzeń elementu - anody, katody i bramki - o ile nie da się ich wywnioskować z istniejącego układu połączeń.

Multimetrem...

Pierwszą metodą sprawdzenia tyrystora jest użycie do tego multimetru. Należy go ustawić do pracy jako omomierz lub, lepiej, jako tester ciągłości i napięcia przewodzenia diod. Między anodą i katodą kategorycznie nie powinno być zwarcia w żadną ze stron. Należy zatem przyłożyć końcówki miernika do tych wyprowadzeń, po czym zamienić ich położenie. Jeżeli multimetr wskaże zwarcie - element nie nadaje się do użytku.

Analogicznie powinno być między bramką i anodą. Zwarcie będzie oznaką awarii elementu.

Nieco inaczej sprawa się ma z bramką i katodą. Między nimi znajduje się złącze p-n. Dlatego tester ciągłości przyłożony plusem do bramki i minusem do katody powinien wskazać kilkaset miliwoltów, a w drugą stronę (minus do bramki, plus do katody) przerwę. Jeżeli jest inaczej - element trzeba wymienić na nowy.

Niektóre tyrystory mają wbudowany rezystor o wartości kilkuset omów między bramkę i katodę, przez co w tym obwodzie nie będzie przerwy.

...lub w naturalnym środowisku

Tyrystory przewodzą prąd rzędu setek miliamperów i większe, dlatego takie uproszczone testy nie dadzą pełnego obrazu jego funkcjonowania. Aby sprawdzić podstawową funkcjonalność tego podzespołu, czyli jego zdolność do wyzwalania się i podtrzymywania przepływu prądu, przyda się taki oto prosty układ:

Potrzebny będzie do tego prądu napięcia stałego dający na wyjściu napięcie rzędu 12V lub akumulator samochodowy, żarówka na napięcie 12V o mocy kilku watów (np. rurkowa 5W), rezystor 270Ω o mocy 1W lub większej i wyłącznik monostabilny (chwilowy).

Po zestawieniu tego układu i włączeniu zasilania, żarówka nie powinna świecić. Krótkotrwałe wciśnięcie przełącznika (dosłownie puknięcie) powinno ją załączyć na stałe. Po wyłączeniu zasilania i ponownym przywróceniu, żarówka znowu ma być wyłączona.

Jeżeli tyrystor z powodzeniem spełnił wszystkie postawione przed nim zadania, można uznać go za element sprawny.