Tyrystory są elementami półprzewodnikowymi, które charakteryzują się dwustanowością charakterystyki napięciowo-prądowej. Mogą one znajdować się w stanie przewodzenia lub w stanie zaporowym, a przejście od jednego stanu do kolejnego zachodzi w sposób skokowy. Najczęściej stosowanym sterowanym elementem półprzewodnikowym jest tyrystor, który składa się z czterech warstw półprzewodnika o odpowiednim profilu domieszkowania: p – n – p – n.
Zasada działania tyrystorów
Czterowarstwowa struktura tyrystora może być przedstawiona na elektrycznym schemacie zastępczym jako dwa połączone ze sobą tranzystory NPN i PNP. Działanie tyrystora polega na przeprowadzeniu prądu z anody do katody po uprzednim wysterowaniu bramki. Po naładowaniu kondensatora bramkowego prąd biegnie przez warstwy P1, N1, N2 i P2, co utrzymuje stan przewodzenia, aż do momentu, gdy prąd przestaje płynąć lub zostanie zmniejszony poniżej wartości prądu trzymającego.
Symbol elektryczny oraz układ strukturalny tyrystora
Anoda tyrystora jest podłączona do warstwy skrajnej P1, katoda do skrajnej warstwy N2, a bramka do jednej z warstw wewnętrznych – P2. Symbol elektryczny i układ strukturalny tyrystora są przedstawione na poniższych rysunkach.
Przykłady zastosowań tyrystorów
Tyrystory znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych, takich jak przetwornice napięcia, sterowniki silników, prostowniki, urządzenia regulacji mocy oraz układy zabezpieczające przed przepięciami. Dzięki swoim właściwościom, takim jak szybki czas przełączania i wysoka wydajność, są niezwykle przydatne w wielu dziedzinach przemysłu.
Praca tyrystora w różnych stanach
1. Stan wsteczny (zaworowy)
Zewnętrzne napięcie UAK, które jest przykładane pomiędzy anodę i katodę tyrystora, polaryzuje poszczególne złącza baza-emiter (P1-N1) oraz baza-kolektor (N1-P2) tranzystora T1, w kierunkach przeciwnych. Kiedy anoda posiada ujemny potencjał względem katody, to złącze P1-N1 spolaryzowane jest wstecznie, a złącze N1-P2 spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia. Złącze P2-N2 jest również spolaryzowane w kierunku wstecznym. W obwodzie ustanowionym przez anodę i katodę płynie zatem niewielki wsteczny prąd o wielkości rzędu kilku mikroamperów. Zwiększając napięcie UAK, aż do osiągnięcia wartości napięcia przebicia złącza P1-N1, oraz następującego po nim przebicia złącza P2-N2, następuje przejście tyrystora w stan wsteczny lub stan zaworowy. Praca tyrystora w tym stanie przypomina pracę zwykłej diody spolaryzowanej wstecznie.
1.1 Zastosowanie stanu wstecznego
Stan wsteczny jest używany w wielu aplikacjach do blokowania prądu. Na przykład, może być stosowany jako element zabezpieczający przed przepięciem, ponieważ w stanie wstecznym tyrystor blokuje prąd.
2. Stan blokowania
Jeżeli spolaryzujemy anodę dodatnim napięciem względem katody, to możliwe są dwa stany pracy tyrystora: blokowania lub przewodzenia. Jeśli napięcie UGK nie jest większe od napięcia progowego złącza baza-emiter (P2-N2), które wchodzi w skład tranzystora T2, to złącze to także nie przewodzi. W obwodzie ustanowionym przez anodę i katodę płynie zatem prąd, którego natężenie jest bliskie natężeniu prądu wstecznego. Ten stan pracy tyrystora nazywany jest stabilnym stanem blokowania.
2.1 Zastosowanie stanu blokowania
Stan blokowania może być wykorzystany jako element zabezpieczający przed przepływem prądu w niepożądanych kierunkach. Jest to szczególnie przydatne w aplikacjach wymagających dużego bezpieczeństwa.
Opis sprzężenia zwrotnego dodatniego w tyrystorze
1. Tranzystory T1 i T2
Tranzystory T1 oraz T2 połączone są ze sobą w ten sposób, że prąd bazy tranzystora T1 jest zarazem prądem kolektora tranzystora T2. Analogicznie, baza tranzystora T2 jest sterowana prądem kolektora tranzystora T1 wraz z prądem bramki IG.
2. Proces wzrostu prądu
W miarę upływu czasu, kiedy prąd bazy tranzystora T1 narasta, zwiększa się zarazem prąd kolektorowy tego tranzystora. W związku z powyższym, również prąd bazy tranzystora T2 rośnie, co implikuje wzrost prądu kolektorowego tranzystora T2, a co za tym idzie, również wzrost prądu bazy tranzystora T1. Opisywany proces więc napędza sam siebie i zachodzi lawinowo, o ile współczynniki wzmocnienia prądowego obu tranzystorów α1 oraz α2 spełniają warunek α1 + α2 ≥ 1.
2.1 Współczynnik wzmocnienia prądowego
Współczynnik wzmocnienia prądowego β jest stosunkiem liczby nośników, które są wstrzykiwane do kolektora, do ilości nośników znajdujących się w bazie tranzystora. β przyjmuje zazwyczaj wartości od 10 do 800 i wyraża się ją wzorem β = IC/IB.
3. Sprzężenie zwrotne dodatnie
Obserwujemy zatem sprzężenie zwrotne dodatnie, powodujące nasycenie obu tranzystorów. Kiedy tranzystory się nasycą, złącze N1-P2 traci swoje właściwości, które blokują przepływ prądu, natomiast tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w stan przewodzenia.
3.1 Dynamiczna rezystancja ujemna
Napięcie odkładające się na tyrystorze maleje w zakresie przełączania, pomimo wzrostu prądu. W obwodzie pojawia się więc dynamiczna rezystancja ujemna, która jest charakterystyczna dla tyrystorów.
Przełączanie tyrystora
1. Stan przewodzenia
Jeżeli tyrystor znajduje się w stanie przewodzenia, to oba jego tranzystory znajdują się w stanie nasycenia, a prąd w obwodzie ustanowionym przez anodę oraz katodę, zależy od impedancji jaką charakteryzuje się obciążenie.
2. Załączanie tyrystora
Tyrystor można załączyć, czyli spowodować zmianę jego stanu pracy ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, gdy przekroczy się pewne określone wartości napięcia oraz prądu anodowego, co wynika z warunku α1 + α2 ≥ 1. Kiedy tyrystor znajduje się w zakresie małych prądów kolektora, współczynniki wzmocnienia prądowego pozostają niewielkie.
3. Proces przełączania
Proces przełączania można zainicjować gwałtownym wzrostem napięcia pomiędzy anodą a katodą, wzrostem temperatury lub oświetleniem struktury tyrystora. Najczęściej stosowanym sposobem przełączania jest wyzwalanie bramkowe, które polega na wywołaniu przełączenia poprzez przepływ prądu bramki IG.
3.1 Polaryzacja złącza P2 – N2
Aby stosować tą metodę należy polaryzować złącze P2 – N2, w kierunku przewodzenia, czyli napięcie pomiędzy bramką a katodą, nie powinno być większe od napięcia progowego wspomnianego złącza.
3.2 Wartość napięcia przełączenia UB0
Wartość napięcia przełączenia – UB0 jest funkcją IG, czyli prądu bramki. Napięcie przełączania jest oznaczane jako UB0, natomiast prąd przełączania oznaczany jest jako IB0, a prąd załączania oznaczany jest jako IHS.
4. Zmiany napięcia i prądu
Przy dużych zmianach prądu przepływającego przez układ anoda – katoda, niewielkim wahaniom ulega spadek napięcia na tyrystorze.
4.1 Przełączanie bramkowe
Najczęściej stosowanym sposobem przełączania jest wyzwalanie bramkowe, które polega na wywołaniu przełączenia poprzez przepływ prądu bramki IG. Aby stosować tą metodę należy polaryzować złącze P2 – N2, w kierunku przewodzenia, czyli napięcie pomiędzy bramką
Charakterystyka obszarów charakterystyk bramkowych
Obszar nieprzełączania
Obszar nieprzełączania obejmuje wartości napięcia UGD i prądu IGD, które nie pozwalają na przełączenie żadnego egzemplarza danego typu tyrystora. Napięcie UGD nazywane jest napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd IGD – prądem nieprzełączającym bramki.
Obszar możliwych przełączeń
Obszar ten obejmuje wartości napięcia UGT i prądu IGT, które pozwalają na przełączenie niektórych egzemplarzy tyrystora danego typu. Napięcie UGT to napięcie przełączające bramki, a prąd IGT to prąd przełączający bramki.
Obszar pewnych przełączeń
Obszar ten obejmuje wartości prądów i napięć bramkowych, które gwarantują przejście ze stanu blokowania lub wstecznego do stanu przewodzenia we wszystkich wyprodukowanych egzemplarzach danego typu tyrystora. Obszar ten ogranicza szczytowy prąd przełączania bramki IFGM, szczytowe napięcie przełączania bramki UFGM oraz szczytowe straty mocy w bramce PFGM. Wartości prądu oraz napięcia podczas przełączania należy dobrać tak, aby punkt pracy leżał w obszarze pewnych przełączeń.
Obszar uszkodzeń obwodu bramkowego
Obszar ten znajduje się poza wykresem szczytowych wartości strat mocy na bramce i obejmuje wartości prądów i napięć, które mogą spowodować uszkodzenia obwodu bramkowego. Warunki pracy w tym obszarze należy wykluczyć poprzez odpowiednią konstrukcję układu.
Czas przełączania tyrystora
Przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia nie jest procesem natychmiastowym i trwa określoną ilość czasu. Czasami charakteryzującymi czas przełączania są: czas załączania tyrystora – tgt oraz czas wyłączania tyrystora – tgf. Oba te czasy dla niemal każdego tyrystora są rzędu mikrosekund.
Główna charakterystyka tyrystora
Główną charakterystyką tyrystora jest funkcja zależności prądu anodowego od napięcia pomiędzy anodą i katodą IA = f(UAK). Jednym z parametrów tej charakterystyki jest natężenie prądu bramki IG. Przykładowa charakterystyka główna przedstawiona jest na rysunku poniżej.
Statyczne parametry tyrystora
Na każdym ze stanów pracy tyrystora wyszczególnionych na charakterystyce można wyróżnić punkty zwane statycznymi parametrami tyrystora. Większość tyrystorów produkowanych obecnie, charakteryzuje się symetrią stanu blokowania oraz zaporowego, czyli URRM= UDRM oraz IRRM= IDRM.
Parametry statyczne dla stanu zaporowego
- UBR – napięcie przebicia tyrystora
- URRM – powtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około ¾ napięcia UBR. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IRRM.
- URSM – niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około 0,9 UBR. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IRSM.
Parametry statyczne dla stanu blokowania
- UB0 – napięcie przełączania
- UDRM – powtarzalne napięcie szczytowe blokowania, które wynosi około ¾ napięcia UB0. Przy napięciu tym jest możliwe określenie prądu natężenia IDRM.
- UDSM – niepowtarzalne wsteczne napięcie szczytowe, które wynosi około 0,9 UB0.
Wartości parametrów statycznych są ważne podczas doboru tyrystora do konkretnego układu oraz podczas projektowania układów zabezpieczających przed uszkodzeniami tyrystora.
Parametry statyczne dla stanu przewodzenia
- IT(AV) – dopuszczalny średni prąd, w wyniku przepływu którego wydzielane jest w dopuszczalne w danych warunkach chłodzenie oraz moc strat w tyrystorze. Natężenie prądu IT(AV) jest określane przy założeniu, iż przebieg prądowy ma postać sinusoidy o częstotliwości 50 Hz oraz, że tyrystor przez połowę okresu znajduje się w stanie przewodzenia.
- IT(RSM) – dopuszczalny prąd skuteczny, jest wartością skuteczną prądu o wartości średniej IT(AV).
- ITM – dopuszczalny prąd maksymalny, czyli amplituda przebiegu prądowego o średniej wartości IT(AV).
- UTM – maksymalne napięcie przewodzenia, które jest ustalane na głównej charakterystyce przez prąd ITM.
- IL – prąd złączania, czyli prąd progowy w procesie załączania tyrystora. Przekroczenie tego progu wprowadza tyrystor na stałe w stan przewodzenia.
- IH – prąd wyłączania, czyli prąd progowy w procesie wyłączania tyrystora. Zmniejszenie natężenia prądu poniżej tego progu implikuje wyłączenie tyrystora.
Parametry dynamiczne tyrystorów
Parametry dynamiczne są wielkościami określającymi właściwości tyrystora w trakcie wyłączania oraz załączania. Do parametrów tych należą:
- tGT – czas załączania. Jest to czas w jakim tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w stan przewodzenia, na skutek doprowadzenia właściwego sygnału w obwodzie sterującym.
- tGF – czas wyłączania. Jest to czas w jakim tyrystor przechodzi ze stanu przewodzenia w stan blokowania, na skutek zastosowania właściwego sygnału w obwodzie sterującym. Czas ten zależy od wielu czynników, takich jak natężenie prądu, temperatury, napięcia itp.
Praca tyrystora – informacje szczegółowe
Próg wyzwalania i czas wyłączania
Tyrystor jest wyzwalany, gdy prąd impulsu przekroczy określony poziom, a następnie narasta, aż do osiągnięcia odpowiedniej wartości prądu w obwodzie głównym. Czas wyłączania, oznaczony tq, to czas, w którym tyrystor odzyskuje swoje właściwości blokujące, dzięki właściwej zmianie napięcia anodowego, wymuszonej w obwodzie zewnętrznym. W czasie tym tyrystor zostaje wyprowadzony z trybu pracy w stanie przewodzenia. Czas ten jest wyznaczany od momentu, gdy prąd przewodzenia spada do zera, do chwili, w której jest możliwe ponowne doprowadzenie do tyrystora odpowiedniego napięcia blokującego o ustalonej stromości narastania.
Krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia
diT/dt to krytyczna stromość z jaką narasta prąd przewodzenia. Jest to wartość maksymalna, która nie powoduje jeszcze trwałego uszkodzenia tyrystora.
Przełączanie tyrystora
Podczas 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, powierzchnia, którą płynie anodowy prąd, jest wyraźnie mniejsza od powierzchni całej struktury. Prowadzi to lokalnie do zwiększenia poziomu gęstości prądu.
Ograniczenia temperaturowe i właściwości tyrystorów
Zakres temperatury pracy
Kolejnym ograniczeniem zakresu temperatur pracy tyrystora jest dopuszczalna temperatura minimalna struktury krzemowej Tj MIX. Jest to wartość wynikająca z rozwiązań konstrukcyjnych i wynosi Tj MIN = -40˚C. Zaleca się, aby 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 może być zakłócona przez różne czynniki, takie jak czynniki zewnętrzne i wewnętrzne.
Czynniki zewnętrzne
Do czynników zewnętrznych, które mogą zakłócać stabilność pracy tyrystora, należą pojawiające się na nim w miarę eksploatacji urządzenia różnorakie przepięcia oraz przeciążenia. Mogą one spowodować duże stromości narastania prądu zwłaszcza w stanie przewodzenia. Ponadto, załączenia mogą powstawać w niekontrolowany sposób, na skutek zbyt szybkiego narastania napięcia blokowania, a także pogorszenie się z upływem czasu warunków odpowiedniego odprowadzania ciepła. W celu przeciwdziałania wpływowi wymienionych czynników na stabilność pracy danego tyrystora, należy stosować właściwe środki ochrony przed przeciążeniami i przepięciami, nie dopuszczać do sytuacji, w których zostanie przekroczona krytyczna stromość narastania napięcia blokowania oraz prądu przewodzenia oraz sprawdzać okresowo temperaturę obudowy.
Czynniki wewnętrzne
Czynniki wewnętrzne również mogą wpływać na stabilność pracy tyrystora. Należą do nich między innymi uszkodzenia struktury wewnętrznej, problemy z odprowadzaniem ciepła czy procesy degradacji materiałów. Aby zminimalizować wpływ tych czynników na stabilność pracy tyrystora, należy stosować odpowiednie materiały i technologie produkcji oraz przestrzegać określonych warunków eksploatacji.
Dobór bezpiecznika i zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
Dobór bezpiecznika
Biorąc pod uwagę nieproporcjonalność przyrostu temperatury, można dobrać bezpiecznik bardziej precyzyjnie poprzez porównanie niepowtarzalnego prądu przewodzenia danego tyrystora z prądem szczytowym zadziałania bezpiecznika. Prąd szczytowy zadziałania bezpiecznika jest wyznaczony z charakterystyk bezpiecznika odpowiadających odpowiedniej wartości prądu zwarciowego, który spodziewamy się uzyskać. Szczytowy prąd zadziałania naszego bezpiecznika nie powinien być większy od niepowtarzalnego prądu przewodzenia, jakim charakteryzuje się tyrystor.
Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe to układy lub elementy tłumiące przepięcia, które dołączane są równolegle do tyrystora. Elementy, które pochłaniają energię przepięć to nieliniowe rezystancje, które w sposób gwałtowny zmniejszają swoją wartość powyżej odpowiedniego progu napięciowego. Zwykle są to elementy selenowe, które znane są pod różnymi nazwami handlowymi, jak dyrektor, voltrap.
Najczęściej spotykanym układem tłumiącym jest układ rezystor-kondensator. Kondensator odpowiada za absorpcję energii udaru przepięciowego, natomiast rezystor ogranicza prąd rozładowania kondensatora oraz nie dopuszcza do wytworzenia się oscylacyjnych drgań w obwodzie LC, gdzie L odpowiada za indukcyjność rozproszoną w obwodzie pracy tyrystora, natomiast C jest pojemnością kondensatora. Dobór odpowiednich parametrów układu RC jest dokonywany na podstawie własności chronionego tyrystora oraz spodziewanych wartości przepięć.
Zakłócenia i sposoby przeciwdziałania
Zakłócenia są przebiegami nieustalonymi, które powstają w wyniku załączania oraz wyłączania tyrystora. Rozchodzą się one pod postacią promieniowania elektromagnetycznego albo przenoszone są przez obwód elektryczny. Właściwe uziemienie oraz odpowiedni montaż są zazwyczaj wystarczającymi środkami zaradczymi, przeciwdziałającymi zakłóceniom pod postacią promieniowania elektromagnetycznego.
Znacznie groźniejsze są przenoszone przez obwód elektryczny przebiegi nieustalone. Potrafią one zakłócać pracę również innych układów. Szkodliwość zakłóceń tego typu ogranicza się poprzez zastosowanie specjalnych filtrów przeciwzakłóceniowych oraz unikanie montażu, który powoduje wzajemne sprzężenie. Można też dobrać warunki pracy tyrystora w taki sposób, aby przebiegi nieustalone, które są generowane, posiadały jak najmniejszą amplitudę.
Zastosowania tyrystorów
Tyrystory znajdują szerokie zastosowanie 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 oraz czasu trwania zarówno przebiegów prądu jak i napięcia.
Tyrystor – niezastąpiony element elektroniczny w układach wielkiej mocy
Tyrystor jest elementem elektronicznym, który znajduje zastosowanie w przekształtnikach o fazowym sterowaniu, a także w układach elektrotermicznych i elektrotechnice samochodowej. Choć coraz częściej stosuje się układy z modulacją szerokości impulsów, tyrystory ze względu na swoją wytrzymałość napięciową (do 10000 V) i przewodzenie dużych prądów (do kilku kiloamperów) pozostają niezastąpione w układach wielkiej mocy.
Przykłady zastosowania tyrystorów
Układy elektrotermiczne
W układach elektrotermicznych tyrystory biorą udział w regulacji mocy grzania, co pozwala na stabilizację temperatury obiektów ogrzewanych. Dzięki temu eliminowane są potrzeba stosowania styczników, przekaźników oraz wzmacniaczy magnetycznych.
Elektrotechnika samochodowa
W elektrotechnice samochodowej tyrystory znajdują zastosowanie w układach służących do ładowania akumulatorów, do przerywania kierunkowskazów oraz w układach regulujących częstotliwość pracy wycieraczek samochodowych.
Układy przekształtnikowe
Tyrystory są również szeroko stosowane w przekształtnikach o fazowym sterowaniu, takich jak sterowniki napięcia zmiennego, sterowane prostowniki napięcia oraz falowniki z komutacją napięciem odbiornika.
Zalety stosowania tyrystorów
Stosowanie tyrystorów w układach wielkiej mocy pozwala na zwiększenie niezawodności produkowanych urządzeń oraz na zmniejszenie ich rozmiarów i ciężaru. Eliminacja styczników, przekaźników i wzmacniaczy magnetycznych wpływa na poprawę jakości układów, a także na ich wydajność.
Parametry i charakterystyki tyrystorów
Ograniczenie stromości narastania prądu
Aby uniknąć lokalnego topienia się struktury, należy ograniczyć stromość narastania prądu zaraz po załączeniu tyrystora. Prąd, który posiada dużą gęstość w obszarze przewodzącym, może bowiem powodować powstanie zbyt wysokiej temperatury. Du/dt to krytyczna stromość narastania napięcia blokowania, która nie powoduje jeszcze przełączenia tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Doprowadzając tyrystor do dodatniego napięcia anodowego, charakteryzującego się dużą stromością narastania, przepływa przez pojemność złącza blokującego Cj2 prąd o dużym natężeniu i=Cj2 duC/dt. Wartość ta nie powinna przekroczyć poziomu natężenia prądu załączania, który może spowodować niepożądane przełączenie tranzystora w stan przewodzenia.
Parametry cieplne tyrystorów
Parametry cieplne to charakterystyczne wielkości, które wynikają z ograniczenia zakresu temperatur, w jakim może odbywać się praca urządzenia, oraz z faktu wydzielania mocy przez tyrystor, co pociąga za sobą jego nagrzewanie. W czasie swojej pracy tyrystor może znajdować się w jednym z trzech stanów: zaporowym, blokowania lub przewodzenia. W każdym z tych stanów, a także w czasie przechodzenia pomiędzy dwoma stanami, wydzielana jest moc strat, która jest źródłem nadmiernego nagrzewania się tyrystora.
Moc strat i jej skutki
Moc strat generowana przez tyrystor powoduje jego nagrzewanie i jest przyczyną degradacji jego parametrów. Nagrzanie to może prowadzić do zniszczenia struktury wewnętrznej i całkowitej utraty funkcjonalności urządzenia. Dlatego ważne jest, aby dbać o odpowiednie chłodzenie tyrystora, zwłaszcza w układach o dużej mocy.
Ograniczenia temperatury pracy
Oprócz mocy strat, parametry cieplne tyrystorów obejmują też maksymalną temperaturę roboczą oraz temperaturę przechowywania. Przekroczenie maksymalnej temperatury roboczej może prowadzić do trwałych zmian w parametrach elektrycznych tyrystora, a nawet do jego uszkodzenia. Z kolei przechowywanie tyrystorów w nieodpowiedniej temperaturze może wpłynąć na ich żywotność i parametry.
Stabilność i niezawodność pracy tyrystorów
Czynniki wpływające na stabilność pracy tyrystora
Do czynników, które wpływają na stabilność pracy tyrystora, należą wady strukturalne materiału, wady powstałe w trakcie procesu wytwarzania struktury p-n-p-n, nieszczelność obudowy i wady w jej montażu, a także pęknięcie spoiny lutowniczej, jeśli konstrukcja była lutowana.
Zapobieganie czynnikom wewnętrznym
Czynnikom wewnętrznym można przeciwdziałać poprzez stosowanie doskonalszych materiałów, zwiększenie staranności całego procesu produkcyjnego oraz konstrukcję z zastosowaniem docisku sprężynowego.
Temperatura a niezawodność pracy
Niezawodność pracy każdego tyrystora, podobnie jak innych przyrządów półprzewodnikowych, maleje wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury pracy. Aby uzyskać znaczną poprawę stabilności, należy odpowiednio obniżyć temperaturę, kosztem zmniejszenia maksymalnej obciążalności prądowej.
Parametry graniczne i ryzyko
Na stabilność pracy tyrystora wpływają również parametry graniczne, które wyznaczają ryzyko prawidłowej pracy urządzenia i powinny być przestrzegane przez projektantów. Ich przekroczenie grozi nie tylko utratą stabilności, ale także trwałym uszkodzeniem tyrystora.
Podsumowanie
Aby zapewnić stabilność i niezawodność pracy tyrystorów, należy zwrócić uwagę na czynniki wpływające na ich pracę, takie jak wady materiałowe czy nieszczelność obudowy. Ważne jest również utrzymywanie odpowiedniej temperatury pracy oraz przestrzeganie parametrów granicznych określonych przez projektantów. Dzięki tym działaniom można zapewnić długą i niezawodną pracę tyrystorów.
Parametry graniczne tyrystorów
Istotne parametry graniczne
Do szczególnie istotnych parametrów granicznych tyrystorów należą: wydzielona moc strat PMAX, zakres temperatury pracy Tj MIN – Tj MAX, krzywa maksymalnej przeciążalności, średni prąd przewodzenia IT(AV), napięcie powtarzalne w stanie blokowania UDRM, napięcie powtarzalne w stanie zaporowym URRM, napięcie niepowtarzalne w stanie blokowania UDSM, napięcie niepowtarzalne w stanie zaporowym URSM, stromość krzywej narastania wartości prądu osiąganej w stanie przewodzenia diT/dt, moc strat bramki PG MAX, napięcie bramki UGM, natężenie prądu bramki IGM oraz powtarzalny prąd szczytowy przewodzenia ITRM.
Równoległe oraz szeregowe łączenie tyrystorów
Tyrystory, podobnie jak większość elementów elektronicznych, można łączyć na dwa sposoby: równolegle i szeregowo. Metodę równoległą 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.
Łączenie szeregowe
Łączenie szeregowe stosuje się w celu uzyskania wyższego napięcia pracy. Należy jednak pamiętać, że w tym przypadku wartości prądu i napięcia na poszczególnych tyrystorach muszą być równe. W przypadku braku równości wartości prądów, obciążony tyrystor ulegnie przejściu w stan blokowania, co spowoduje przepięcie napięcia na pozostałych tyrystorach i zniszczenie całego układu.
Moc i temperatura tyrystora
Najważniejszym parametrem tyrystora jest moc, którą traci w stanie przewodzenia. Maksymalna moc strat PMAX jest określana zależnością od średniego prądu przewodzenia IT(AV). Zależność ta jest podawana dla różnych kątów, z jakimi może przewodzić tyrystor.
Temperatura tyrystora
Tyrystor nagrzewając się traconą mocą P, cechuje się wzrastającą temperaturą swojej krzemowej struktury – Tj w stosunku do swojej obudowy, posiadającą temperaturę TC. Przy maksymalnej mocy PMAX temperatura Tj osiąga maksymalną wartość, która jest dopuszczalna – Tj MAX. Aby zapobiec nadmiernemu wzrostowi temperatury TC, która rośnie w wyniku nagrzewania struktury krzemowej, należy w odpowiedni sposób chłodzić obudowę.
Obliczanie maksymalnej temperatury obudowy
Dla różnych kątów przewodzenia, z pomocą odpowiednich wzorów, można znaleźć maksymalną dopuszczalną temperaturę, jaką może osiągać obudowa TC MAX w czasie przepływu prądu IT(AV). Jeżeli z jakichkolwiek powodów temperatura obudowy przekroczy swoją maksymalną dopuszczalną wartość, to należy niezwłocznie zmniejszyć prąd, który płynie przez tyrystor.
Przypadki graniczne
Biorąc pod uwagę przypadek graniczny, w którym temperatura otoczenia TC MAX = Tj MAX, prąd który płynie przez tyrystor powinien być równy zero. Maksymalna temperatura, która jest dopuszczalna dla struktur krzemowych wynosi Tj MAX = 125˚C.
Impedancja cieplna
Jeżeli moc strat wydzielana jest w krótkich impulsach, w odpowiednich wzorach należy zamiast rezystancji cieplnej uwzględniać impedancję cieplną.
Łączenie tyrystorów
W celu uniknięcia niesymetrycznego obciążenia prądowego niektórych z gałęzi, należy dobrać do pracy równoległej tyrystory o możliwie identycznych charakterystykach prądowo-napięciowych w stanie przewodzenia.
Łączenie szeregowe
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.
Asymetria rozdziału napięcia
Pomimo 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.
