Naprava in parametri tiristorjev
Tiristor je polprevodniška naprava s tremi (ali več) p-n spoji, katere tokovno-napetostna karakteristika ima odsek negativnega diferencialnega upora in se uporablja za preklapljanje v električnih tokokrogih.
Najenostavnejši tiristor z dvema izhodoma je diodni tiristor (dinistor). Triodni tiristor (SCR) ima dodatno še tretjo (krmilno) elektrodo. Tako diodni kot triodni tiristorji imajo štirislojno strukturo s tremi p–n spoji (slika 1).
Končni območji p1 in n2 se imenujeta anoda oziroma katoda, krmilna elektroda je povezana z enim od srednjih območij p2 ali n1. P1, P2, P3- prehodi med p- in n-regijami.
Vir E zunanje napajalne napetosti je priključen na anodo s pozitivnim polom glede na katodo. Če je tok Iу skozi krmilno elektrodo triodnega tiristorja enak nič, se njegovo delovanje ne razlikuje od delovanja diode. V nekaterih primerih je tiristor primerno predstaviti kot vezje, enakovredno dvema tranzistorjema, z uporabo tranzistorjev z različnimi vrstami električne prevodnosti p-n-p in n-R-n (slika 1, b).
sl. 1.Struktura (a) in dvotranzistorsko ekvivalentno vezje (b) triodnega tiristorja
Kot je razvidno iz sl. 1, b, prehod P2 je skupni kolektorski prehod dveh tranzistorjev v ekvivalentnem vezju, prehoda P1 in P3 pa sta emiterska spoja. Ko se napetost naprej Upr poveča (kar se doseže s povečanjem emf vira energije E), se tiristorski tok rahlo poveča, dokler se napetost Upr ne približa določeni kritični vrednosti prebojne napetosti, ki je enaka vklopni napetosti Uin (slika 2).
riž. 2. Tokovno-napetostne karakteristike in konvencionalna oznaka triodnega tiristorja
Z nadaljnjim povečanjem napetosti Upr pod vplivom naraščajočega električnega polja v prehodu P2 opazimo močno povečanje števila nosilcev naboja, ki nastanejo kot posledica udarne ionizacije med trkom nosilcev naboja z atomi. Posledično se spojni tok hitro poveča, ko elektroni iz plasti n2 in luknje iz plasti p1 hitijo v plasti p2 in n1 in jih nasičijo z manjšinskimi nosilci naboja. Z nadaljnjim povečanjem EMF vira E ali zmanjšanjem upora upora R se tok v napravi poveča v skladu z navpičnim odsekom I-V karakteristike (slika 2)
Najmanjši prednji tok, pri katerem ostane tiristor vključen, se imenuje zadrževalni tok Isp. Ko se smerni tok zmanjša na vrednost Ipr <Isp (padajoča veja I-V karakteristike na sliki 2), se obnovi visoka upornost povezave in tiristor se izklopi. Čas obnovitve upora p-n spoja je običajno 1-100 µs.
Napetost Uin, pri kateri se začne plazovito povečanje toka, je mogoče zmanjšati z nadaljnjim uvajanjem manjšinskih nosilcev naboja v vsako od plasti, ki mejijo na spoj P2. Ti dodatni nosilci naboja povečajo število ionizacijskih dejanj v P2 p-n spoju in zato se vklopna napetost Uincl zmanjša.
Dodatni nosilci naboja v triodnem tiristorju, prikazanem na sl. 1, se vnesejo v plast p2 s pomožnim vezjem, ki ga napaja neodvisen vir napetosti. Obseg, do katerega se vklopna napetost zmanjša, ko se krmilni tok poveča, je prikazan z družino krivulj na sliki 1. 2.
Pri prehodu v odprto (vklopljeno) stanje se tiristor ne izklopi, tudi ko se krmilni tok Iy zmanjša na nič. Tiristor je mogoče izklopiti bodisi z znižanjem zunanje napetosti na določeno minimalno vrednost, pri kateri tok postane manjši od zadrževalnega toka, bodisi z dovajanjem negativnega tokovnega impulza v vezje krmilne elektrode, katerega vrednost pa , je sorazmeren z vrednostjo preklopnega toka Ipr.
Pomemben parameter triodnega tiristorja je krmilni tok sprostitve Iu on - tok krmilne elektrode, ki zagotavlja preklapljanje tiristorja v odprtem stanju. Vrednost tega toka doseže nekaj sto miliamperov.
sl. 2 je razvidno, da ko se na tiristor uporabi povratna napetost, se v njem pojavi majhen tok, saj sta v tem primeru prehoda P1 in P3 zaprta. Da bi se izognili poškodbi tiristorja v obratni smeri (ki povzroči, da tiristor ne deluje zaradi toplotne prekinitve giba), mora biti povratna napetost manjša od Urev.max.
V simetričnih diodnih in triodnih tiristorjih inverzna I-V karakteristika sovpada s sprednjo. To dosežemo z antiparalelno povezavo dveh enakih štirislojnih struktur ali z uporabo posebnih petslojnih struktur s štirimi p-n spoji.
riž. 3. Zgradba simetričnega tiristorja (a), njegova shematska predstavitev (b) in tokovno-napetostna karakteristika (c)
Trenutno se tiristorji proizvajajo za tokove do 3000 A in vklopne napetosti do 6000 V.
Glavne pomanjkljivosti večine tiristorjev so nepopolna krmilljivost (tiristor se ne izklopi po odstranitvi krmilnega signala) in relativno nizka hitrost (desetine mikrosekund). Pred kratkim pa so bili ustvarjeni tiristorji, v katerih je bila odstranjena prva pomanjkljivost (zaklepni tiristorji se lahko izklopijo s krmilnim tokom).
Potapov L.A.