8. TYRYSTORY I TRIAKI

8.1. Budowa i działanie tyrystora

Tyrystor jest przyrządem półprzewodnikowym zbudowanym z czterech naprzemian ułożonych warstw typu n i p, które tworzą trzy złącza p-n: J1, J2 i J3 (rys.8.1). Takie struktury złączowe mają wiele form konstrukcyjnych, które pracują jako przełączniki - nawet dość dużych mocy. Najprostszym przełącznikiem jest dioda Shockleya p-n-p-n. Dioda ta przy napięciu U_B0 przełącza się z wysokoomowego stanu blokowania do niskoomowego stanu przewodzenia. Przełączenie jest inicjowane przebiciem lawinowym środkowego złącza J2. W tyrystorze wartość napięcia przełączenia jest kontrolowana prądem bramki I_G (rys.8.2).

Tyrystor najlepiej jest przedstawić jako szeregowo-równoległy układ dwóch sterujących się wzajemnie tranzystorów bipolarnych p-n-p i n-p-n - rys.8.1c.

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

Przy polaryzacji rewersyjnej (u_AK<0) złącza J1 i J3 są spolaryzowane zaporowo, podtrzymując prawie całkowitą różnicę potencjałów pomiędzy anodą i katodą. Przez tyrystor płynie wtedy minimalny prąd rewersyjny nasycenia obu złącz I_RRM, a przyrząd jest w stanie zaworowym. Przy napięciu U_RSM nastąpi przebicie lawinowe złącz J1 i J3.

Przy polaryzacji dodatniej (u_AK>0) złącza emiterowe J1 i J3 są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś wspólne dla obu tranzystorów złącze kolektorowe J2 - zaporowo. Prąd całkowity tego złącza jest sumą prądu dziurowego, przekraczającego bazę tranzystora p-n-p, prądu elektronowego tranzystora n-p-n oraz prądu nasycenia I_C0. Te trzy prądy stanowią prąd anodowy i_A, który przy odłączonej bramce (i_G=0), jest także prądem katody tyrystora. Stąd równanie kolektorowe dla złącza J2 ma postać

(8.1)

albo

(8.2)

gdzie _N1 i _N2 - stałoprądowe współczynniki wzmocnienia dla struktur tranzystorowych p-n-p i n-p-n. Przy napięciu u_AK bliskim U_B0 zachodzi w obszarze złącza J2 powielanie lawinowe dziur i elektronów ze współczynnikami multiplikacji M_h≈M_e≅M i prąd anodowy wynosi

(8.2a)

Zakładając dla uproszczenia rozważań, że M>1 tuż przed napięciem przebicia, to z zależności (8.3) wynika, że tyrystor załączy się, gdy

M(_N1+_N2)≈1 (8.3)

Prąd anodowy, przy którym zachodzi warunek (8.3), jest prądem włączenia tyrystora I_IN przy napięciu U_B0 (rys.8.1). Nieograniczone narastanie prądu i_A>I­_IN może być powstrzymane zmniejszeniem prądu I­_C0 i współczynnika M. W tyrystorze zachodzi to w wyniku spadku napięcia na złączu kolektorowym J2. Przyjmuje się, że przy prądzie I_L na tym złączu napięcie jest równe zeru, a M=1. W katalogach podawany jest prąd I_L jako minimalna wartość prądu tyrystora konieczna do jego pewnego przełączenia.

Przy _N1+_N2≈1 prąd anodowy, zgodnie z zależnością (8.2), także powinien nieograniczenie narastać, jednakże struktury tranzystorowe przechodzą w stan nasycenia, w którym współczynniki wzmocnienia pozostają na niskim poziomie. Prąd anodowy, przy którym _N1+_N2≈1, jest określany jako prąd podtrzymania (wyłączenia) tyrystora I_H - jest to najmniejsza stabilna wartość prądu w stanie przewodzenia. Mała wartość napięcia potrzymania (resztkowego) U_H≈1V, występująca przy prądzie podtrzymania I_H potwierdza, że struktury tranzystorowe są w stanie nasycenia, a tyrystor stanowi sobą obwód prawie zwarty. Średni prąd przewodzenia I_T(AV) przy napięciu przewodzenia U_T ogranicza od góry obszar stanu przewodzenia.

W tyrystorach obszary baz są zwykle poszerzone i słabiej domieszkowane niż obszary anody i katody, aby nie dopuścić do spełnienia warunku (8.3) - jonizacji lawinowej przy małych wartościach u_AK, bez udziału prądu bramki.

Prąd bramki i_G, jako prąd p-bazy, zwiększa prąd anodowy w stanie blokowania

(8.4)

Prąd bramki zwiększa także wartość współczynnika _N2. Gdy suma współczynników wzmocnienia osiągnie wartość bliską 1 oraz M>1, to tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w stan załączenia przy napięciu mniejszym niż U_B0 poprzez metastabilny zakres ujemnej rezystancji dynamicznej od punktów (U_BX,I_IN) do punktu (U­_IN,I_IN) na charakterystyce i_A=i_A(u_AK). Położenie pierwszego punktu zależy od wartości prądu bramki I_G.

W warunkach dynamicznych pracy tyrystora małosygnałowe współczynniki wzmocnienia prądowego  są większe od stałoprądowych: >_N, co umożliwia załączenie przy znacznych prądach bramki (i_G>>0) przed pojawieniem się przebicia lawinowego. Zatem przyrosty prądu anodowego wywołane małymi zmianami prądu bramki też będą większe:

(8.4a)

Ponadto, aby _ było szybko rosnącą funkcją I­_g wiele typów tyrystorów ma tzw. ścieżkę rezystywną zwierającą złącze J3, uzyskaną przez poszerzenie elektrody katody na obszar p-bazy. W schemacie zastępczym tyrystora pojawia się wówczas niewielka rezystancja r_GK, która umożliwia przepływ prądu dziurowego z anody do katody już przy niewielkich napięciach na bramce u_GK<0,7V, czyli zanim złącze J3 zostanie wystarczająco spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Rezystancja ta spełnia również inną pożyteczną rolę: zabezpiecza tyrystor przed przypadkowymi sygnałami mogącymi załączyć tyrystor.

Dla właściwego zaprojektowania układu sterowania ważne są charakterystyki wejściowe tyrystora (rys.8.3).

Na charakterystykach bramkowych dla każdego typu tyrystorów są zaznaczone trzy obszary napięciowo-prądowe: 1 - ograniczony napięciem U_GD i prądem I­_GD, nie przełączającymi tyrystora, 2 - ograniczony napięciem U_GT i prądem I­_GT, mogącymi przełączyć tyrystor, 3 - ograniczony wartościami maksymalnymi napięcia U_FGM i prądu

I­_FGM bramki, gwarantującymi przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. W tym obszarze należy zapewnić punkt pracy na prostej obciążenia w obwodzie bramki. Przełączanie w obszarze 4 może uszkodzić tyrystor, bowiem przekroczona została hiperbola dopuszczalnych strat mocy w bramce P_GM. O jakości danego typu tyrystora decydują: jak najmniejszy prąd bramki I_FG<<I_T(AV) (kilkunastokrotnie mniejszy od I_A) oraz jak najkrótszy czas załączania: 1...2 s.

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 odzyskuje właściwości do ponownego załączenia przez układ sterujący bramki.

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

[V/s]

Jest to największa wartość stromości narastania tego napięcia, nie powodująca przełączenia tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia w określonych warunkach zewnętrznych (np. przy określonej temperaturze). Należy bowiem pamiętać, że przy polaryzacji tyrystora napięciem u_AK<U_B0 poszerza się obszar ładunku przestrzennego złącza J2, którego pojemność wynosi C_j2 (rys.8.1). Zbyt szybko usuwane nośniki z obszaru złącza, zgodnie ze zmianami napięcia du_AK/dt, tworzą prąd anodowy proporcjonalny do tych zmian. Prąd może być na tyle duży, że załączy się tyrystor dużo wcześniej, zanim suma współczynników  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 zewnętrzne zwarcie anody i katody. Ta właściwość tyrystora jest wykorzystywana w sterowaniu układów zmiennoprądowych. Możliwość włączenia tyrystora poprzez bramkę w dodatnim okresie napięcia zmiennego pozwala kontrolować moc dostarczaną do obciążenia zmiennoprądowego. Podczas ujemnego półokresu napięcia tyrystor jest wyłączony.

Jeżeli zmienimy kierunek prądu bramki na rewersyjny i_G<0, aby wyprowadzić strukturę tranzystorową n-p-n ze stanu nasycenia, to tyrystor teoretycznie może być przełączony ze stanu przewodzenia w stan blokowania. Praktycznie jednakże jest to możliwe tylko w tyrystorach o specjalnej konstrukcji - w tzw. GTO-tyrystorach (Gate-Turn-Off), w których obszar katody jest podzielony na wiele segmentów otoczonych metalizowaną bramką, skutecznie wyciągającą dziury z obszaru bazy typu n przy ujemnym napięciu na bramce.

8.2. Triaki

Triak umożliwia sterowanie sygnałów zmiennoprądowych, bowiem jego konstrukcja jest antyrównoległym złożeniem dwóch złączowych struktur tyrystorowych n-p-n-p i p-n-p-n (rys.8.6a). W przekroju widoczne są symetryczne dwa obszary typu n wdyfundowane w strukturę złączową p-n-p. Elektrody wyprowadzeń głównych (main termials), nazywanych także anodami, zachodzą częściowo na obszar baz.

Symetria struktury przenosi się na symetrię charakterystyk napięciowo-prądowych (rys.8.7) oraz schematu zastępczego triaka (rys.8.6c).

Triak można załączyć poprzez bramkę dodatnim lub ujemnym impulsem prądowym dwukrotnie w każdym okresie prądu zmiennego - co daje cztery kombinacje kierunków napięć U_MT i prądów I_G załączających przyrząd. Ponadto triak załączy się sam, jeżeli zostanie przekroczone napięcie przebicia U_BR(G0) w jednym z kierunków oraz przy zbyt szybkim wyłączaniu napięcia - podobnie jak w tyrystorze. Te dwa ostatnie sposoby normalnie nie są stosowane w układach elektrycznych, ale wyznaczają pewne ograniczenia w wykorzystaniu triaków; np. triaki nie mogą pracować przy obciążeniu indukcyjnym.

Diak ma podobną symetryczną strukturę jak triak, ale nie ma elektrody bramki. Załącza się tylko po przekroczeniu charakterystycznych napięć: U_BR(F) przy u_MT>0 i U_BR(R) przy u_MT<0 w sposób podobny jak triak przy napięciach U_BR(G0) i -U_BR(G0).

8.4. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie ma na celu pokazanie podstawowych właściwości tyrystorów i triaków. Działanie tych przyrządów obserwujemy na specjalnym module pomiarowym TM8 (rys.8.11). Moduł ten umożliwia :

1. testowanie tyrystorów i triaków

2. zdejmowanie charakterystyk stałoprądowych tyrystorów i triaków

3. obserwacje przebiegów czasowych przełączania tyrystorów.

Rys.8.11. Płyta czołowa modułu pomiarowego TM8.

1. Testowanie przyrządu zamontowanego na 7-pinowej złączce telewizyjnej wykonamy na module zasilanym tylko napięciem ∼24 V (z generatora), jeżeli czarny przełącznik ustawimy w pozycji środkowej „TEST”. Wystarczy wówczas nacisnąć biały przycisk zamykający obwód bramki z zieloną diodą. Przy sprawnym tyrystorze zaświecą się dioda zielona i sąsiednia dioda żółta, a przy sprawnym triaku - wszystkie diody.

2a. Pomiary tyrystora wykonujemy w układzie sporządzonym wg rys. 8.12. Na wstępie potencjometr P1 należy ustawić w połowie zakresu, zaś potencjometr P2 w lewym skrajnym położeniu. Zaczynamy od pomiarów stałoprądowych tyrystorów niskonapięciowych (np. 2N5060/61 o U_DRM<50V) po podłączeniu stałego napięcia anodowego 24V, natomiast obwód bramki podłączamy do zasilacza prądu stałego 6V, zwracając uwagę na polaryzację i pozycję przełącznika OFF. Do odpowiednich miejsc zaznaczonych na płycie podłączamy właściwe przyrządy pomiarowe. Następnie załączamy przełącznik ON i, regulując potencjometrem P2 prąd bramki, staramy się dokładnie zarejestrować jego wartość, przy której zapali się jedna z czerwonych diod LED. Jest to moment włączenia tyrystora. Teraz zwiększając napięcie bramki co 0,01 V (możliwe do odczytania na woltomierzu cyfrowym), mierzymy prąd tyrystora, aby wykreślić jego charakterystykę w kierunku przewodzenia.

Rys.8.12. Schemat układu do badań tyrystorów (1,2,3... n-ry gniazd na wtyku telewizyjnym).

Wyłączamy prąd bramki (OFF), a następnie potencjometrem P1 ograniczamy prąd anodowy tyrystora - aż do momentu wygaszenia diody LED i wyłączenia tyrystora (?). Zauważyć i zapisać minimalną wartość prądu podtrzymania I_H. Pomiary zmienoprądowe wykonujemy po zastąpieniu stałego napięcia anodowego napięciem zmiennym ≈24V z generatora. Jeżeli zastąpimy amperomierz prądu zmiennego rezystorem o niewielkiej wartości (np. 10 ), to możemy na nim obserwować przebiegi czasowe prądu tyrystora na oscyloskopie przy różnym prądzie stałym bramki. Zmiany napięcia na tyrystorze zaobserwujemy, jeżeli drugą sondę podłączymy do anody tyrystora. W tych badaniach należy zaobserwować prąd i napięcie bramki, przy których następuje załączenie tyrystora, przerysować z ekranu oscyloskopu przebiegi czasowe napięcia u_AK(t) i prądu i_A(t). Zauważyć także moment załączenia (fazę) prądu i uchwycić jego zależność od stałego prądu bramki.

2b. Triaka badamy w układzie sporządzonym na module TM8 według rys. 8.13. Potencjometry P1 i P2 należy ustawić w skrajnym lewym położeniu. 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 czerwonych diod. Po odczytaniu wskazań przyrządów, zwiększając prąd bramki należy doprowadzić do załączenia drugiej diody czerwonej, po czym ponownie odczytać wskazania mierników. Wyłączamy triak zmniejszając prąd bramki (obie diody zgasną). Po wyłączeniu należy zmienić polaryzację stałego napięcia sterującego (6V) i powtórzyć poprzednie czynności; zaobserwować niesymetryczności załączeń elementu. Przebiegi napięciowo-prądowe na triaku obserwujemy w podobny sposób jak na tyrystorze.

4. Obserwacja procesu przełączania tyrystora.

Moduł TM8 zawiera źródło prądowe i generator pracujący przy częstotliwości
1,4 kHz, który steruje układem pomiarowym - rys.8.14.

Dynamiczną pracę tyrystora obserwujemy na ekranie oscyloskopu. Przebiegi czasowe prądu anodowego i_A(t) oraz napięcia na tyrystorze u_AK(t) należy uważnie prześledzić i przerysować do sprawozdania. Na przebiegu u_AK(t) odczytać czas załączenia tyrystora. Prąd i_A(t) jest obserwowany i mierzony na rezystorze 0,1 Ω.

Rys.8.14. Schemat blokowy do obserwacji przełączeń tyrystora.

354

58

---