TYRYSTOR
KLASYCZNY SCR

(

Semiconductor Controlled Rectifier

)

Opracował: ozzy662

Studia niestacjonarne
Rok III, semestr VI
Specjalność: Elektrotechnika przemysłowa i informatyka

Tyrystor triodowy jednokierunkowy (inaczej
niesymetryczny lub krzemowa dioda sterowana)
nazywany w skrócie tyrystorem należy do licznej
grupy przyrządów półprzewodnikowych o
strukturze czterowarstwowej p-n-p-n z
wyprowadzonymi trzema elektrodami.

Charakteryzuje się jednokierunkowym
przewodzeniem prądu roboczego i
niepełna sterowalnością

Przełączenie do stanu przewodzenia
następuje przy pomocy obwodu
bramkowego, który traci właściwości
sterownicze z chwilą załączenia tyrystora

Tyrystor triodowy SCR

Określenie normatywne

Określenie normatywne

tyrystora SCR (wg PN-

tyrystora SCR (wg PN-

76/T1500/03

76/T1500/03

TYRYSTOR KLASYCZNY SCR



Trzyzaciskowy, czterowarstwowy element
półprzewodnikowy, który przy ujemnym napięciu głównym
wykazuje właściwości zaporowe i który może być
przełączany ze stanu blokowania do stanu przewodzenia
przy wykorzystaniu bramki, gdy napięcie główne jest
dodatnie

Struktura tyrystora jest
czterowarstwowa typu p-n-
p-n. Zjawiska, jakie
zachodzą w niej, stanowią o
jej własnościach.

Szczegóły budowy struktury
krzemowej tyrystora
SRC

Symbol elektryczny

tyrystora SCR



obowiązujący



spotykany na schematach



konstrukcja blokowa

Symbole elektryczne oraz układ
strukturalny spotykany w literaturze

Schemat zastępczy tyrystora SRC

W stanie spoczynkowym oba tranzystory są zatkane (nie przewodzą). Po
wciśnięciu przycisku pojawi się prąd bazy - otworzy się tranzystor n-p-n. Prąd
jego kolektora spowoduje otwarcie tranzystora p-n-p. Z kolei prąd kolektora
p-n-p popłynie do bazy n-p-n - podtrzymując jego otwarcie, po puszczeniu
przycisku.
Wystarczy więc podać nawet krótki impuls na bramkę, aby otworzyć
element na stałe. Układ będzie przewodził aż do zaniku lub zmiany
polaryzacji napięcia zasilającego.

Zasada działania
tyrystora SRC

Tyrystor jest sterowany przyrządem półprzewodnikowym o strukturze
czterowarstwowej p-n-p-n z wyprowadzonymi elektrodami: anoda, katodą i
bramką.
W zależności od polaryzacji anody względem katody tyrystor może
znajdować się w stanie zaworowym lub blokowania. Po doprowadzeniu
dodatniego impulsu prądowego do bramki tyrystora (gdy przyrząd znajduje
się w stanie blokowania), następuje jego załączenie i przejście do stanu
przewodzenia. Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli
anoda jest na dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu
p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w
kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty
tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki
dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu
bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu
kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora
Właściwości tyrystora w tych stanach pracy przedstawia
charakterystyka główna, obrazująca zależność prądu anodowego od
napięcia anoda-katoda.

Charakterystyka główna tyrystora
(napięciowo-prądowa)

Charakterystyka główna (prądowo – napięciowa) – zależność
napięcia głównego od prądu głównego przy określonym prądzie
bramki przedstawiana zwykle w postaci wykresu.

Na każdym ze stanów pracy tyrystora
wyszczególnionych na charakterystyce
powyżej można wyróżnić punkty
zwane statycznymi parametrami
tyrystora.
Większość tyrystorów produkowanych
obecnie, charakteryzuje
się symetrią stanu blokowania oraz
zaporowego

Stany pracy tyrystora SRC

Występuje ( podobnie jak dla diody ) przy ujemnej polaryzacji anody względem

katody. W stanie zaworowym podanie dodatniego sygnału bramkowego nie powoduje
załączenia tyrystora, a jedynie wzrost prądu wstecznego, tym samym wzrost strat mocy.
Zwiększony prąd wsteczny może doprowadzić do przegrzania struktury p-n-p-n i w efekcie
do jej zniszczenia. Z tego powodu w obwodzie bramki należy eliminować możliwość
pojawienia się dodatniego prądu bramki przy polaryzacji zaworowej tyrystora.

Stan wsteczny (zaworowy)

Parametry statyczne dla stanu zaworowego

U

BR

- napięcie przebicia tyrystora.

U

RRM

- powtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które

wynosi około ¾ napięcia U

BR

. Przy napięciu tym jest

możliwe określenie prądu natężenia I

RRM

U

RSM

- niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które

wynosi około 0,9 U

BR

. Przy napięciu tym jest możliwe

określenie prądu natężenia I

RSM

Stan blokowania

Stany pracy tyrystora SRC

Występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody

tyrystora, przy jednoczesnym braku prądu bramki. Dla tyrystora
konwencjonalnego charakterystyka napięciowo-prądowa w stanie
blokowania jest bardzo zbliżona do charakterystyki w stanie
zaworowym.

Parametry statyczne dla stanu blokowania

U

B0

- napięcie przełączania.

U

DRM

- powtarzalne napięcie szczytowe blokowania, które wynosi około ¾

napięcia U

B0

. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu

natężenia I

DRM

U

DSM

- niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około

0,9 U

B0

. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężeni I

DSM

Stan przewodzenia

Stany pracy tyrystora SRC

Występuje przy dodatniej polaryzacji anody względem katody oraz gdy w

obwodzie sterującym bramka-katoda popłynie prąd wystarczający do załączenia
tyrystora. W stanie przewodzenia, prąd w obwodzie bramki nie oddziałuje na
prąd główny. Właściwości i parametry tyrystora będącego w stanie
przewodzenia są takie same jak diody.

Parametry statyczne dla stanu przewodzenia

I

T(AV)

- jest to dopuszczalny średni prąd, w wyniku przepływu którego wydzielane jest w

dopuszczalne w danych warunkach chłodzenie oraz moc strat w tyrystorze.
I

T(RSM)

- dopuszczalny prąd skuteczny, jest wartością skuteczną prądu o wartości średniej

I

T(AV)

I

TM

- dopuszczalny prąd maksymalny, czyli amplituda przebiegu prądowego o

średniej
wartości I

T(AV)

.

U

TM

- maksymalne napięcie przewodzenia, które jest ustalane na głównej

charakterystyce
przez prąd I

TM

I

L

- prąd złączania, czyli prąd progowy w procesie załączania tyrystora. Przekroczenie

tego progu wprowadza tyrystor na stałe w stan przewodzenia.
I

H

- prąd wyłączania, czyli prąd progowy w procesie wyłączania tyrystora. Zmniejszenie

natężenia prądu poniżej tego progu implikuje wyłączenie tyrystora.

Charakterystyka tyrystora SRC
w stanie przewodzenia

Napięcie w stanie przewodzenia
wynosi:

Gdzie:
U

(T0)

–napięcie progowe

r

T

– rezystancja dynamiczna

tyrystora
I

T

– prąd graniczny tyrystora

T

T

T

T

I

r

U

U





)

0

(

W obliczeniach charakterystykę główną
w stanie przewodzenia aproksymuje się
najczęściej dwuodcinkowo

Charakterystyka (prądowo – napięciowa)
obwodu bramkowego

Charakterystyka obwodu bramkowego
obrazuje statyczne właściwości złącza
bramka-katoda tyrystora. Obwód
bramkowy odznacza się słabymi
właściwościami prostującymi, małą
wartością napięcia przebicia
lawinowego i podatnością na wpływ
temperatury.
Ze względu na duży rozrzut
charakterystyk bramkowych, w
katalogach przedstawia się dwie skrajne
charakterystyki dla tyrystorów tego
samego typu.

Charakterystyka bramki – zależność napięcia
bramki od prądu bramki przy określonej
temperaturze, przedstawiana zwykle w
postaci wykresu

Obszary charakterystyki
obwodu bramkowego

Charakterystyka przedstawiona jest pod postacią zamkniętej powierzchni,
którą ograniczają swoimi wykresami dwa skrajne przebiegi określonego
typu tyrystora. Powierzchnia ta obejmuje swoim obszarem wszystkie
egzemplarze tyrystora danego typu. W polu charakterystyk bramkowych
można wyróżnić następujące obszary:

I. Obszar, w którym niemożliwe jest przełączanie

II. Obszar, w którym istnieje możliwość przełączeń
III. Obszar, w którym przełączenia są pewne.
IV. Obszar, w którym możliwe są uszkodzenia
obwodu bramkowego.

Przełączenie tyrystora ze

stanu
blokowania do stanu przewodzenia nie
jest
procesem natychmiastowym, ale trwa
określoną ilość czasu. Czasami charakteryzującymi czas
przełączania są: czas załączania tyrystora - t

gt

oraz czas

wyłączania tyrystora - t

gf

. Oba te czasy dla niemal

każdego tyrystora są rzędu mikrosekund.

Parametry dynamiczne tyrystora SRC

Parametry dynamiczne są wielkościami określającymi właściwości
tyrystora w trakcie wyłączania oraz załączania.
Do parametrów tych należą:



t

GT

- czas załączania. Jest to czas w jakim

tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w
stan przewodzenia, na skutek
doprowadzenia właściwego sygnału w
obwodzie sterującym.

 t

q

- czas wyłączania, Jest to

czas w którym tyrystor
odzyskuje swe właściwości
blokujące, w wyniku właściwej
zmiany napięcia anodowego,
która jest wymuszana w
obwodzie zewnętrznym i
powoduje wyprowadzenie
tyrystora z trybu pracy w stanie
przewodzenia.

 di

T

/ dt - krytyczna stromość, z

jaką narasta prąd przewodzenia.



du

D

/dt - krytyczna stromość, z

jaką narasta napięcie blokowania

Parametry cieplne tyrystorów

Parametry cieplne są charakterystycznymi wielkościami wynikającymi z
ograniczenia zakresu temperatur w jakich może odbywać się praca
urządzenia, a także z faktu wydzielania mocy przez tyrystor, co pociąga
za sobą jego nagrzewanie.

W każdym z tych stanów oraz w czasie przechodzenia pomiędzy dwoma stanami,
wydzielana zostaje moc strat, która jest źródłem nadmiernego nagrzewania się tyrystora.
Najważniejsza jest moc, którą traci tyrystor w stanie przewodzenia. Z tego powodu
maksymalna moc strat P

MAX

jest określana zależnością od średniego prądu przewodzenia

I

T(AV)

. Zależność ta jest podawana dla różnych kątów, z jakimi może przewodzić tyrystor.

Tyrystor nagrzewając się traconą mocą P, cechuje się wzrastającą temperaturą swojej
krzemowej struktury - T

j

w stosunku do swojej obudowy, posiadającą temperaturę T

C

. Przy

maksymalnej mocy P

MAX

temperatura T

j

osiąga maksymalną wartość, która jest

dopuszczalna – T

j MAX

. W celu przeciwdziałaniu nadmiernemu wzrostowi temperatury T

C

,

która rośnie w wyniku nagrzewania struktury krzemowej, należy w odpowiedni sposób
chłodzić obudowę. Jeżeli moc strat wydzielana jest w krótkich impulsach w odpowiednich
wzorach należy zamiast rezystancji cieplnej uwzględniać impedancję cieplną.

Maksymalna temperatura, która jest dopuszczalna dla struktur krzemowych wynosi
T

j MAX

= 125˚C. Kolejnym ograniczeniem zakresu temperatur pracy jest dopuszczalna

temperatura minimalna struktury krzemowej . Wynika ona ze z rozwiązań konstrukcyjnych
i wynosi T

j MIN

= -40˚C. Producenci zalecają, by zakres temperatury, w którym

magazynowane są tyrystory był mniejszy od zakresu ich pracy.

Stabilność pracy tyrystora

Stabilność pracy danego układu to utrzymanie niezmienionych
parametrów oraz charakterystyk w czasie całego okresu eksploatacji
danego elementu w układzie elektrycznym. Stabilność pracy
tyrystora zakłócają następujące czynniki zewnętrzne i wewnętrzne.

Na stabilność pracy wpływają również
parametry graniczne, które wyznaczają
ryzy prawidłowej pracy tyrystora, w których
powinni zmieścić się projektanci. Ich
przekroczenie grozi nie tylko utratą
stabilności, ale także trwałym zniszczeniem
tyrystora. Do szczególnie istotnych
parametrów granicznych należą:

•

wydzielona moc strat

• zakres temperatury pracy

• krzywa maksymalnej przeciążalności

• średni prąd przewodzenia

• napięcie powtarzalne w stanie blokowania

• napięcie powtarzalne w stanie zaporowym

• napięcie niepowtarzalne w stanie blokowania

• napięcie niepowtarzalne w stanie zaporowym

• stromość krzywej narastania wartości prądu
osiąganej
w stanie przewodzenia

• moc strat bramki

• napięcie bramki

• natężenie prądu bramki

• powtarzalny prąd szczytowy przewodzenia

Proces załączania tyrystora SRC

Stabilny stan przewodzenia tyrystora jest poprzedzony dynamicznym
procesem załączania (czyli przechodzeniem od małej do dużej przewodności) i
zainicjowanym podaniem impulsu bramkowego

Przebieg procesu załączania zależy od
geometrii
Warstw półprzewodnika, parametrów impulsu
bramkowego, wartości napięcia anodowego
oraz rodzaju obciążenia tyrystora.
Charakteryzuje się dwoma podstawowymi
parametrami:
 t

gt

- czasem załączania

di

t

/dt – krytyczną stromością narastania

prądu

Czasy charakteryzujące proces załączania są
wielkościami umownymi i definiowane są dla
tyrystora obciążonego rezystancyjnie.

Proces wyłączania tyrystora SRC

Wyłączanie tyrystora ( w wyniku opóźnienia wszystkich złącz
struktury z nośników swobodnych) oznacza przejście przyrządu od stanu
przewodzenia poprzez stabilny stan zaworowy do stabilnego stanu blokowania.

Przebieg procesu wyłączania zależy od
geometrii
Warstw struktury, rodzaju i wartości obciążenia,
Wartości napięcia zasilającego oraz
temperatury złącza. Charakteryzuje się dwoma
podstawowymi parametrami:

 t

q

- czasem wyłączania

 Q

rr

– ładunkiem przejściowym przy

wyłączaniu

Wady i zalety tyrystora

Zalety:

• małe rozmiary

• niewielka masa

• duża odporność na wstrząsy i narażenia środowiskowe i możliwość
pracy w temp. –65°C do +125°C

• mały spadek napięcia na elemencie przewodzącym rzędu 1...2 V

• krótki czas przejścia ze stanu zaporowego w stan
przewodzenia i na odwrót - mikrosekundy

Wady:

• jednokierunkowe przewodzenie

• "wygasanie" tyrystora po zaniku prądu przewodzenia,
wymagające ponownego "zapłonu" prądem bramki
(wada ta bywa wykorzystywana i w niektórych
zastosowaniach staje się zaletą)

Zastosowanie tyrystorów

Tyrystory stosowane są w obwodach, w których płyną prądy o dużych

natężeniach oraz w których występują napięcia o znacznej wielkości.
Wykorzystywane są powszechnie w elektroenergetyce, napędach elektrycznych,
trakcjach elektrycznych, układach regulacji operujących na dużych mocach.
Szczególnie duże znaczenie mają, przy zastosowaniach tego typu, graniczne wartości
napięć, prądów oraz mocy, które nie mogą być przekraczane w czasie eksploatacji. Są
one zależne od warunków, w jakich pracuje tyrystor, czyli warunków chłodzenia,
temperatury otoczenia, kształtu raz czasu trwania zarówno przebiegów prądu jak i
napięcia.

Tyrystor jest elementem elektronicznym, który powszechnie
stosuje się w przekształtnikach o fazowym sterowaniu. Tyrystory
znalazły również zastosowanie w układach elektrotermicznych . Kolejną
z dziedzin przemysłu, gdzie tyrystory znalazły zastosowanie jest
elektrotechnika samochodowa. Kolejnym zastosowaniem tyrystorów są
układy, które służą do sterowania oświetleniem. Znajdują one
zastosowanie, jako układy regulujące poziom natężenia światła w
kinach, teatrach oraz studiach telewizyjnych.

Koniec

Dziękuje za uwagę

Literatura:
W. Morciniak – „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
O. Limann – „Elektronika bez wielkich problemów”
P. Horowitz. W. Hill, ,,Sztuka elektroniki”