Podręcznik

4. Tyrystory

Tyrystory stanowią półprzewodnikowe elementy przełącznikowe zbudowane z kilku warstw p i n tworzących trzy lub więcej złączy. Zasadę działania tyrystora można przedstawić traktując go jako złożenie dwóch tranzystorów, jak na rys. 4.1 w przypadku struktury czterowarstwowej.

 Uzupelnij opis obrazka
Rys. 4.1  Rozpływ strumieni nośników w strukturze tyrystora i reprezentacja tranzystorowa

W takiej reprezentacji złącza j1 i j2 stanowią złącza emiter-baza tranzystorów odpowiednio: pnp i npn, a złącze jC jest wspólnym złączem kolektorowym.
Na charakterystyce prądowo-napięciowej można wyróżnić trzy zakresy pracy tyrystora:

 Uzupelnij opis obrazka
Rys. 4.2 Charakterystyki prądowo-napięciowe tyrystora

Zakres zaporowy odpowiada ujemnej polaryzacji zacisku anodowego (A) względem katodowego (K). W tym przypadku tylko złącze jC jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącza  j1 i j2 są spolaryzowane zaporowo, co ogranicza prąd płynący przez tyrystor. W tych warunkach polaryzacji charakterystyka tyrystora ma zatem typowy kształt charakterystyki wstecznej diody (łącznie z zakresem przebicia).

Zmiana kierunku polaryzacji (VA > VK) wprowadza tyrystor w stan blokowania. Złącza  j1 i j2 przewodzą, a złącze jC jest spolaryzowane zaporowo. Odpowiada to normalnej pracy obu wyróżnionych tranzystorów zastępczych (rys. 4.1) przy rozwartej bazie, jeżeli zaniedbać początkowo istnienie elektrody bramki G. Przez tyrystor płynie zatem niewielki prąd  ograniczony prądem generacji Ig w zaporowo spolaryzowanym złączu jC (analogicznie jak ICEO w tranzystorze) i współczynniki wzmocnienia prądowego tranzystorów zastępczych a1 i a2 mają niewielką wartość.

Korzystając z modelu rozpływu nośników ładunku w strukturze tyrystora (rys. 4.1) można zapisać bilans składników prądu:

     I_{A}=(I_{g}+\alpha _{1}I_{A}+\alpha _{2}I_{K})\cdot M,     (4.1)

gdzie uwzględniono dodatkową generację zderzeniową nośników w warstwie zaporowej złącza jC przez wprowadzenie do równania współczynnika powielania lawinowego M. W przyrządzie dwuzaciskowym:
    I_{A}=I_{K},
co prowadzi do następującego wyrażenia określającego prąd płynący przez tyrystor w stanie blokowania:

    I_{A}=\frac{MI_{g}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M}.      (4.2)

Powyższe równanie wskazuje warunek przełączenia tyrystora do stanu przewodzenia:

   (\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M =1,      (4.3)

który oznacza zapoczątkowanie wzrostu prądu do nieskończoności. Osiągnięcie tego warunku jest możliwe dzięki wzrostowi wartości współczynników wzmocnienia prądowego tranzystorów zastępczych (i ewentualnie współczynnika powielania) towarzyszącemu narastaniu prądu. Po przekroczeniu wartości określonych warunkiem (4.3), wzór (4.2) przestaje obowiązywać, ponieważ następuje przepolaryzowanie złącza jC w kierunku przewodzenia. Mechanizm tego zjawiska jest następujący: gdy liczba nośników dostarczanych przez warstwę zaporową złącza jC do baz obu tranzystorów zastępczych staje się większa od liczby nośników rekombinujących w złączach baza-emiter, te nadmiarowe nośniki gromadzą się na krańcach warstwy zaporowej złącza jC neutralizując ładunki domieszek. W konsekwencji gwałtownie maleje spadek napięcia na tyrystorze, a po przełączeniu w stan przewodzenia charakterystyka prądowo-napięciowa odpowiada przewodzącej diodzie.
Przełączenie tyrystora (spełnienie warunku (4.3)) mogą wyzwolić następujące zjawiska:
•    Wzrost prądu Ig na skutek wzrostu temperatury lub wystąpienia innych czynników generacyjnych (oświetlenie, promieniowanie jonizujące),
•    Wzrost napięcia powodujący jednocześnie zwiększenie M i (a1 + a2) – jest to zjawisko podobne do mechanizmu przebicia tranzystora w konfiguracji WE przy rozwartej bazie (sprzężenie zwrotne między powielaniem nośników a wzrostem wstrzykiwania z emitera),
•    Wzrost (a1 + a2) towarzyszący impulsowi prądu przeładowania pojemności złącza jC na skutek szybkiej zmiany napięcia na tyrystorze: 
         j_{A}\approx C_{j}\frac{\mathrm{d} u_{AK}}{\mathrm{d} t}.

Powyższe zjawiska prowadzą do przełączenia przyrządu dwuzaciskowego nazywanego dynistorem (charakterystyka dla IG = 0 na rys. 4.2).

Częściej wykorzystuje się przyrząd trójzaciskowy – z dodatkową elektrodą bramki jak na rys. 4.1, nazywany trynistorem (ang. SCR – Semiconductor Controlled Rectifier) lub popularnie tyrystorem jak cała rodzina omawianych przyrządów.

•    Wymuszenie przepływu prądu bramki zwiększa prąd katody: 
         I_{K}=I_{A}+I_{G},
    co prowadzi do modyfikacji wzoru (4.2):
         I_{A}=\frac{M(I_{g}+\alpha _{2}I_{G})}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})\cdot M},      (4.4)
    ale przede wszystkim pozwala wpływać na wartość a2 i dzięki temu sterować wartością napięcia przełączenia tyrystora do stanu przewodzenia jak na rys. 4.2.

Dynistor i trynistor (tyrystor) stanowią przyrządy pracujące jednokierunkowo – posiadają asymetryczną charakterystykę prądowo-napięciową. Wprowadzenie dodatkowej piątej warstwy (piątego złącza) do struktury tyrystora pozwala uzyskać symetryczne właściwości (zastąpić stan zaporowy charakterystyką z I ćwiartki wykresu na rys. 4.2) i przełączać przyrząd dwukierunkowo. Wśród takich tyrystorów wyróżnia się:
diak – przyrząd dwuzaciskowy,
triak – przyrząd trójzaciskowy.

 Uzupelnij opis obrazka
Rys. 4.3 Symbole graficzne tyrystorów

Na rys. 4. 2 zaznaczono tzw. prąd trzymania IH jako minimalny prąd anodowy, przy którym tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia. Wyłączenie tyrystora realizowane może być przez odpowiednie zmniejszenie napięcia UAK lub wymuszone zmianą kierunku prądu bramki IG.
Tyrystory najczęściej są stosowane w układach zasilania – prostownikach wielkiej mocy. Pozwalają małą mocą (w obwodzie bramki) regulować dużą energię oddawaną do obciążenia RL (w obwodzie A-K) jak na rys. 4.4 . 

 Uzupelnij opis obrazka
Rys. 4.4 Układ prostownika tyrystorowego