8. TYRYSTORY I TRIAKI

8.1. Działanie tyrystora

Tyrystor z jego czterowarstwowoą strukturą złącz n⁺-p-n-p najlepiej jest przedstawić jako szeregowo-równoległy układ dwóch sterujących się wzajemnie tranzystorów bipolarnych. Każdy z obu tranzystorów może być zastąpiony schematem tranzystora - rys.8.1.

Charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora odzwierciedlają zachowanie się poszcze- gólnych złącz p-n (rys.8.2.).

Przy polaryzacji rewersyjnej (u_AK<0) złącza J1 i J3 są spola- ryzowane zaporowo, podtrzymując prawie całkowitą różnicę poten-cjałów pomiędzy anodą i katodą. Przez tyrystor wtedy płynie mini-malny prąd rewersyjny nasycenia obu złącz, i przyrząd jest w stanie zaporowym.. Przy polaryzacji dodatniej (u_AK>0) tylko złącze środkowe jest spolaryzowane zaporowo w stanie blokowania, dopóty prądy wpływające do obu baz (warstw środkowych n i p) nie przekroczą wartości wystarczającej do wprowadzenia złącza J2 w niskoomowy stan przewodzenia. Mechanizm załączenia jest efektem powielania lawinowego w obszarze zaporowym złącza, wywołanym nośnikami iniektowanymi w obie bazy z obszaru katody (n-emitera tranzystora n-p-n) i anody (p-emitera tranzystora p-n-p) poszczególnych tranzystorów oraz poprzez bramkę z zewnętrznego obwodu sterowania. W przypadku gdy i_G=0, prąd anodowy jest równy prądowi dwóch emiterów

(8.1)

oraz

(8.2)

gdzie M_(n-p-n)+ M_(p-n-p)≡M, a M jest całkowitym współczynnikiem powielania lawinowego nośników przy ich przechodzeniu przez spolaryzowane zaporowo złącze J2 (przy M>1 zachodzi przebicie lawinowe). Oprócz prądu kolektora najskuteczniej wzbudzającego lawinową jonizację, należy takżę uwzględnić jego własny prąd rewersyjny I_CO, także zwielokrotniany M-krotnie. Zewnątrz, jonizację inicjuje prąd bramki i_G. We wspólnym efekcie prąd inicjujący załączenie tyrystora wynosi

(8.3.)

Załączenie nastąpi przy a_N(n-p-n)+ a_N((p-n-p)≈1, i wtedy tyrystor wchodzi ze stanu blokowania w stan załączenia poprzez metastabilny zakres ujemnej rezystancji dynamicznej od punktu (U_BO, I_BO) do punktu (U­_IN, I_IN) na charakterystyce i_A=i_A(u_AK). Położenie pierwszego punktu zależy od wartości prądu bramki i_G. Najniższa stabilna wartość prądu przewodzenia definuje prąd podtrzymania (wyłączenia) tyrystora I_H. Można dla potrzeb takiej definicji przyjąć, że przy tej wartości prądu a_N(n-p-n)+ a_N((p-n-p) =1.

Dla właściwego zaprojektowania układu sterowania nie mniej ważne są charakterystyki wejściowe tyrystora - rys.8.3. Aby zabezpieczyć się przed przypadkowymi sygnałami, mogącymi załączyć tyrystor, wiele typów tyrystorów ma wbudowaną w strukturze wewnętrzną rezystancję między bramką a katodą r_G. O jakości danego typu tyrystora decydują; jak najmniejszy prąd bramki I_G<<I_F (kilkunastokrotnie mniejszy od I_F) oraz jak najkrótszy czas załączania: 1...2 ms.

Tyrystory pracują przede wszystkim jako elementy załączające i przełączające duże prądy przy częstotliwościach sieciowych (rys.8.4). Praca dynamiczna w takich warunkach zależy od zachowania się ładunków nadmiarowych w obu bazach po wyłączeniu elementu, które tutaj są rozpatrywane wspólnie jako tzw. ładunek przejściowy Q_rr, pozostający jeszcze przez okres czasu t_rr w bazach. Dopiero po tym czasie tyrystor może być załączony przy takich samych sygnałach załączenia układu sterującego bramki.

Rys.8.4.a Załączanie tyrystora prądem bramki, b - zmiany napięcia u_A przy wyłączeniu np. kondensatorem, oraz c- odpowiedź prądowa tyrystora na zmiany napięcia

Innym ograniczeniem czasowym tyrystora jest tzw. krytyczna stromość narastania napięcia blokowania:

(8.4)

Jest to największa wartość stromości narastania tego napięcia, nie powodująca przełączenia tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia w określonych warunkach zewnętrznych (temperatura). Należy bowiem pamiętać, że gdy tyrystor polaryzowany jest napięciem u_AK<U_BO, to poszerza się obszar ładunku przestrzennnego złącza J3 o pojemności C_j (rys.8.1). Zbyt szybko usuwane nośniki z tych obszarów, zgodnie ze zmianami napięcia (8.4.), tworzą prąd anodowy, proporcjonalny do tej zmiany (8.5), który może być na tyle duży, że załączy się tyrystor dużo wcześniej, zanim suma współczynników a obu tranzystorów w schemacie zastępczym osiągnie 1:

(8.5)

Ponadto, prąd ten jest wzmacniany wewnętrznym efektem Millera. W ten sposób zwiększa się pojemność złącza do pojemności efektywnej

(8.6.)

Jedynym sposobem wyłączenia dwóch tranzystorów w strukturze tyrystora jest zmniejszenie prądu kolektorowego do poziomu, przy którym zostanie przerwany mechanizm powielania lawinowego. Jest to możliwe po otwarciu obwodu zasilania zewnętrznego albo poprzez krótkie zwarcie zewnętrzne anody i katody. Pod tym względem tyrystor jest praktycznym przyrządem do kontroli układów zmiennoprądowych. Możliwość włączenia go poprzez bramkę w dodatnim okresie napięcia zmiennego pozwala konrolować moc dostarczaną do obciążenia zmiennoprądowego. Podczas ujemnego półokresu napięcia tyrystor jest wyłączony.

Jeżeli zmienimy kierunek prądu bramki na rewresyjny; i_G<0, aby wyprowadzić tranzystor n-p-n ze stanu nasycenia, to tyrystor teoretycznie może być przełączony ze stanu przewodzenia w stan blokowania. Jednakże praktycznie jest to możliwe tylko w tyrystorach o specjalnej konstrukcji - w tzw. GTO-tyrystorach (Gate-Turn-Off), w których p-katoda jest podzielona na wiele segmentów otoczonych metalizowaną bramką, skutecznie wyciągającą dziury z n-obszaru.

W triaku mogą być przewodzone i regulowane sygnały zmienne, bowiem jego konstrukcja jest antyrównoległym złożeniem dwóch struktur złączowych n-p-n-p i p-n-p-n tyrystora (rys.8.6). W przekroju widoczne są n-obszary wdyfundowane w strukturę złączową p-n-p. Tę symetryczną strukturę widzimy na charakterystykach napięciowo-prądowych (rys.8.7) oraz w schemacie zastępczym triaka (rys.8.8).

Triak można załączyć poprzez bramkę dwukrotnie w każdym okresie prądu zmiennego. Właściwy, dodatni lub ujemny sygnał prądowy doprowadzony do elektrody bramki, wprowadza triak w stan załączenia. Wyróżniamy cztery możliwe sposoby załączenia triaka (rys.8.9.) Ponadto triak załączy się sam, jeżeli zostanie przekroczone napięcie przebicia oraz przy zbyt szybkim wyłączaniu napięcia - podobne zjawisko występuje także w tyrystorze! Te dwa ostatnie sposoby normalnie nie są stosowane w układach elektryczynych, ale wyznaczają pewne ograniczenia w wykorzystywaniu triaków; triaki nie mogą pracować przy obciążeniu indukcyjnym.

8.3. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie ma na celu pokazanie podstawowych właściwości tyrystorów i triaków. Działanie tych przyrządów obserwujemy na specjalnym module pomiarowym TMR (rys.8.11).

Rys.8.11. Płyta czołowa modułu pomiarowego TMR.

Stanowisko pomiarowe jest wyposażone w dwa zasilacze 6Vdc i 24Vac, dwa amperomierze i jeden woltomierz cyfrowy.

Badane elementy są umocowane na dwóch 7-pinowych złączkach telewizyjnych, które montujemy na płycie modułu TMR.

1. Pomiary tyrystora wykonujemy w układzie sporządzonym według rys. 8.12.

Potencjometr P1 należy ustawić w połowie zakresu, zaś potencjometr P2 w lewym skrajnym położeniu. Do odpowiednich miejsc zaznaczonych na płycie podłączamy przyrządy po- miarowe. Czerwony prze- łącznik powinien być załączony; ON. Wejście DC podłączamy do zasilacza prądu stałego 6V, zwracając uwagę na polaryzację. Po załączeniu, regulując poten- cjometrem P2 prąd bramki staramy się dokładnie zarejestrować jego wartość, przy której zapali się jedna z diod LED. Jest to moment włączenia tyrystora.

Następnie zwiększając napięcie bramki co 0,01V (możliwe do odczytania na woltomierzu cyfrowym), mierzymy prąd tyrystora, aby wykreślić jego charakterystykę w kierunku przewodzenia.

Czerwonym przełącznikiem wyłączamy prąd bramki; OFF, oraz potencjometrem P1 ograniczamy prąd płynący przez tyrystor - aż do momentu wygaszenia diody LED i wyłączenia tyrystora (?). Zauważyć i zapisać minimalną wartość prądu podtrzymania.

2. Triak badamy w układzie sporządzonym na module TMR według rys. 8.13.

Potencjometry P1 i P2 należy ustawić w skrajnym lewym położeniu. Do odpowiednich miejsc zaznaczonych na płytce podłączamy przyrządy pomiarowe, przy czym w miejsce oznaczone jako A1 należy wpiąć zworę. Przełącznik ustawić w pozycji ON. Do wejścia AC należy podłączyć napięcie zmienne 24V, a wejście DC połączyć z zasilaczem prądu stałego 6V.

Po załączeniu zasilania, regulując prąd bramki potencjometrem P2 należy zaobserwować moment załączania jednej z diod. Po odczytaniu wskazań przyrządów, zwiększając prąd bramki należy doprowadzić do załączenia drugiej diody, po czym ponownie odczytać wskazania mierników.

Wyłączamy triak zmniejszając prąd bramki (obie diody zgasną). Po wyłączeniu należy zmienić polaryzację napięcia sterującego (6V) i powtórzyć poprzednie czynności; zaobserwować niesymetryczności elementu. Wyniki pomiarów można zamieścić w poniższej tabelce:

Polaryzacja układu sterowania	VGT	IGT
VG(+) D1
VG(+) D2
VG(-) D1
VG(-) D2

---