Zasada działania

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o 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, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; następuje wyzwolenie tyrystora. Moment ten nazywamy "zapłonem”. W przeciwieństwie do tranzystora wyzwolony tyrystor nadal przewodzi prąd po ustaniu sygnału sterującego bramką (brak przyłożonego napięcia do bramki), co jest jego niewątpliwą zaletą (brak dodatkowych strat sterowania). Traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu obciążenia (poniżej wartości prądu przewodzenia, minimalny prąd podtrzymania) lub przy odwrotnej polaryzacji elektrod. Wówczas konieczny jest ponowny zapłon tyrystora.

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. Jest on wyznaczany w momencie przekroczenia określonego poziomu przez prąd impulsu wyzwalającego, który narasta aż do osiągnięcia odpowiedniej wartości prądu w obwodzie głównym.

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. Wyznaczany jest od chwili w którym prąd przewodzenia spada do zera, do momentu w którym możliwe jest ponowne doprowadzenie do tyrystora odpowiedniego napięcia blokowania o ustalonej stromości narastania.

$\frac{\text{di}_{T}}{\text{dt}}$ - krytyczna stromość z jaką narasta prąd przewodzenia. Jest to wartość maksymalna, która jeszcze nie powoduje trwałego uszkodzenia tyrystora. Biorąc pod uwagę fakt, że w trakcie przełączania tyrystora z trybu pracy w stanie blokowania do trybu pracy w stanie przewodzenia nie obserwuje się jednoczesnej straty właściwości blokujących przez całą strukturę p - n - p - n. Czas w jakim stan przewodzenia rozprzestrzenia się po całej strukturze jest większy nawet kilkadziesiąt razy od czasu jego załączenia. Z tego powodu w czasie, który bezpośrednio następuje po załączeniu powierzchni, którą płynie anodowy prąd jest ona wyraźnie mniejsza od powierzchni całej struktury. Prowadzi to lokalnie do zwiększenia poziomu gęstości prądu. Należy ograniczać stromość narastania prądu, zaraz po załączeniu tyrystora, tak aby prąd, który posiada dużą gęstość w obszarze przewodzącym, nie powodował lokalnego topienia się struktury.

$\frac{\text{du}_{D}}{\text{dt}}$ - krytyczna stromość, z jaką narasta napięcie blokowania. Jest to wartość maksymalna, która jeszcze nie powoduje przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Doprowadzając tyrystor do dodatniego napięcia anodowego, charakteryzującego się dużą stromością narastania implikujemy przepływ prądu o dużym natężeniu przez pojemność którą posiada złącze blokujące - C_j2. Znaczne natężenie jakim cechuje się prąd i = C_j2 du_C/dt może spowodować przekroczenie poziomu natężenia prądu załączania I_L i co za tym idzie spowodować przełączenie tranzystora w stan przewodzenia, przy braku bramkowego sygnału wyzwalającego. Przełączenia tego rodzaju są niepożądane, dlatego należy ograniczyć 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. Przypomnijmy, że tyrystor w czasie swojej pracy może znajdować się w jednym z trzech stanów: zaporowym, blokowania oraz przewodzenia. 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. Dla różnych kątów przewodzenia, z pomocą odpowiednich wzorów, można znaleźć maksymalną dopuszczalną temperaturę jaką może osiągać obudowa T_{C MAX} w czasie przepływu prądu I_T(AV). Jeżeli z jakichkolwiek powodów temperatura obudowy przekroczy swoją maksymalną dopuszczalną wartość, to należy niezwłocznie zmniejszyć prąd, który płynie przez tyrystor. Biorąc pod uwagę przypadek graniczny, w którym temperatura otoczenia T_{C MAX} = T_{j MAX}, prąd który płynie przez tyrystor powinien być równy zero.

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 T_{j MIX}. 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.

Tyrystory, podobnie jak większość elementów elektronicznych można łączyć na dwa sposoby:

Równolegle - Metodę tą stosuje się w obwodach, gdzie płynące prądy posiadają takie duże natężenie, że niemożliwe jest obciążanie nimi pojedynczego tyrystora. W konstrukcjach korzystających z równoległych tyrystorów należy zapewnić jednoczesny moment załączenia każdego z tyrystorów, a także równomierny rozpływ prądów po poszczególnych gałęziach obwodu. Stosowany jest układ wyzwalania szybkiego, który w jednym momencie podaje na każdą z bramek odpowiednio uformowane impulsy, których czas trwania jest dłuższy od przeciętnego, co gwarantuje pewność załączenia każdego z egzemplarzy. W celu uniknięcia niesymetrycznego obciążenia prądowego niektórych z gałęzi, należy dobrać do pracy równoległej tyrystory odpowiednio selekcjonowane, o możliwie identycznych charakterystykach prądowo - napięciowych w stanie przewodzenia.

Szeregowo - Łączenie szeregowe znajduje swoje zastosowanie w obwodach, w których wymagane są wysokie napięcia pracy, które są niemożliwe do osiągnięcia przy wykorzystaniu pojedynczego tyrystora. Wymagane są: jednoczesne wyłączanie oraz załączanie każdego z występujących w gałęzi tyrystorów, unikanie niesymetrycznego podziału napięcia w poszczególnych egzemplarzach oraz wszelkiego rodzaju przepięć. Stosowane są układy wyzwalania szybkiego, które w jednym momencie podają odpowiednio uformowane impulsy na bramki każdego z tyrystorów. Ponieważ niezwykle trudno jest dobrać tyrystory o jednakowych czasach załączania oraz wyłączania, stosuje się dodatkowe kondensatory bocznikujące, które zapobiegają odkładaniu się całego napięcia gałęzi na pojedynczym tyrystorze. Ma to miejsce na najwolniej reagującym tyrystorze w przypadku załączania oraz na najszybciej reagującym tyrystorze w przypadku wyłączania. Zwykle w szeregu z bocznikującym kondensatorem spina się niewielką rezystancję R₁, która służy do tłumienia oscylacji. Pomimo tego, że tyrystory w jednej gałęzi posiadają niemal identyczne napięcie znamionowe, występują różnice w prądach płynących w stanie zaporowym oraz blokowania, co prowadzi do asymetrii rozdziału napięcia na pojedynczych tyrystorach. W celu wyeliminowania tej wady stosowany jest drugi element bocznikujący: rezystor R₂ o dużej rezystancji.

Zastosowania 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. Powszechnie stosuje się je w przekształtnikach o fazowym sterowaniu. Przykładem takich urządzeń są sterowniki napięcia zmiennego, sterowane prostowniki napięcia oraz falowniki z komutacją napięciem odbiornika. Pomimo utraty swojego znaczenia, poprzez coraz bardziej popularne stosowanie układów stosujących modulację szerokości impulsów, z racji swoich niewielkich częstotliwości przełączeń (maksymalna to około 1000 Hz) z jakimi mogą pracować, tyrystory stanowią niezastąpione urządzenia w układach wielkiej mocy. Wytrzymałość napięciowa jaka je cechuje wynosi aż 10000 V. Prąd jaki mogą przewodzić może mieć wartość średnią nawet w granicach kilku kiloamperów.

Kolejną z dziedzin przemysłu, gdzie tyrystory znalazły zastosowanie jest elektrotechnika samochodowa. Bardzo duże zastosowanie tyrystory znajdują w układach służących do ładowania akumulatorów, do przerywania kierunkowskazów oraz w układach regulujących częstotliwość pracy wycieraczek samochodowych. Tyrystory użyte w tych układach, w stosunku do zwyczajnych układów przekaźnikowych, pozwalają uzyskiwać większą niezawodność i trwałość. Biorąc pod uwagę duże możliwości obciążeń prądowych, możliwe jest ich wykorzystanie do ładowania dużej liczby akumulatorów. Stosunkowo niedawno opracowano wiele różnych typów układów zapłonowych wykorzystujących tyrystory. Dzięki nim możliwa jest poprawa pracy, a także rozruch silnika poprzez eliminację przerywania zapłonu, występującego w skrajnych warunkach eksploatacyjnych, czyli przy bardzo wysokich oraz bardzo niskich obrotach, a także w niskich temperaturach otoczenia. Biorąc pod uwagę większą energię iskry, możliwy jest prawidłowy zapłon nawet jeżeli świece zapłonowe są znacznie zanieczyszczone. Można więc dłużej je eksploatować bez konieczności okresowego oczyszczania.

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. Dzięki wykorzystaniu tyrystorów możliwa jest płynna zmiana natężenia światła w bardzo szerokim zakresie, począwszy od zera, aż do wartości szczytowej. Regulatory światła oparte na tyrystorach niemal całkowicie wyparły dotychczas stosowane metody sterowania mocą oświetlenia takie jak: regulatory transformatorowe, rezystorowe, a także wzmacniacze magnetyczne.

Zastosowane układy pomiarowe podczas pomiarów:

I. Układ jednopulsowy

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Obciążenie RL + równolegle do obciążenia wpięta dioda zerowa:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

II. Układ dwupulsowy

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 10V - napięcie w kolorze niebieskim
I=1.5A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 5V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 1A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL+ równolegle do obciążenia wpięta dioda zerowa:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 10V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 3A - prąd w kolorze żółtym

III. Układ mostkowy I:

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 40V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 6.5A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 50V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 7A - prąd w kolorze żółtym

IV. Układ mostkowy II:

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 40V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 6.5A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 50V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 7A - prąd w kolorze żółtym

V. Układ mostkowy 4 tyrystorowy:

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 50V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 7A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 30V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 4A - prąd w kolorze żółtym

VI. Układ mostkowy III:

Obciążenie R:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 70V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 9.5A - prąd w kolorze żółtym

Obciążenie RL:

Schemat układu: Zaobserwowany przebieg:

Odczytane wartości średnie z przebiegu:

U= 50V - napięcie w kolorze niebieskim
I= 7A - prąd w kolorze żółtym

Wnioski:
W układzie „mostkowym I” obserwujemy brak diody zerowej na schemacie, która była włączana równolegle do obciążenia RL. Można jednak powiedzieć, że dioda ta „tworzy” się z pary dioda-tyrystor co obserwujemy na otrzymanym przebiegu, który maleje wykładniczo. Zasadniczą wadą tego układu jest fakt, iż nie może on pracować jako falownik oraz nie można zasilić z niego silnika, gdyż będzie problem z wytworzeniem odpowiedniego momentu obrotowego.

Układ mostkowy 4 tyrystorowy jest najbardziej funkcjonalny ze wszystkich układów za co jest najbardziej lubiany i najczęściej stosowany. Jedyną wadą jest konieczność zastosowania czterech tyrystorów, które w bardziej wymagających układach mogą być drogie.

Układ mostkowy III jest praktycznie nie używany w dzisiejszych czasach. Cechuje go to, że nie jest sterowany tyrystorami – mimo to w układzie obserwujemy, że prąd płynie, gdyż układ jest sterowany przez diody zastosowane w układzie.