Tyrystor jest jednym z najczęściej używanych komponentów w energoelektronice. Znany jest również jako SCR, prostownik sterowany krzemem. Tyrystory mogą jednak nie tylko przekształcać prądy przemienne w prądy stałe, ale mogą być również używane jako przełączniki elektroniczne.
W tym poradniku dowiesz się, jak zbudowane są tyrystory, jak działają i do jakich obwodów szczególnie się nadają.
Tyrystor, znany również jako SCR (Silicon Controlled Rectifier), to półprzewodnikowy element elektroniczny, który może pełnić funkcję zarówno przełącznika, jak i prostownik. Jest to 4-warstwowy i 3-punktowy element, który powstaje z połączenia naprzemiennie przewodzącego dodatnio i ujemnie materiału półprzewodnikowego.
Nazwa „tyrystor” powstała z połączenia słów Thyratron i Transistor, co odzwierciedla jego właściwości. Z jednej strony pełni funkcję prostownika, podobnie jak tyratron, a z drugiej – oferuje sterowalność charakterystyczną dla tranzystora. Składa się z trzech wyprowadzeń: anody, katody i bramki (gate). Aby umożliwić przewodzenie prądu, niezbędny jest impuls sterujący podany na bramkę.
Kluczową cechą tyrystora jest jego jednokierunkowość – przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku, przypominając pod tym względem diodę. W przeciwieństwie do niej może jednak pracować zarówno jako otwarty przełącznik, jak i jako element prostowniczy, w zależności od sposobu sterowania bramką.
SCR jest jednym z kilku półprzewodników mocy, obok triaków i diaków, wykorzystywanych do sterowania wysokimi napięciami i prądami przemiennymi. Działa jak ultraszybki przełącznik półprzewodnikowy, umożliwiając efektywne zarządzanie zasilaniem w układach energoelektronicznych.
1. anoda | 2. bramka | 3. katoda
Tyrystor jest wykonany głównie z krzemu i swoją budową przypomina tranzystor. W odróżnieniu od niego składa się jednak z czterech warstw i powstaje w wyniku połączenia tranzystora PNP oraz NPN.
Dolna warstwa typu N pełni funkcję katody, natomiast górna warstwa typu P stanowi anodę. Obie są połączone z odpowiednimi wyprowadzeniami za pomocą płytek molibdenowych. Tworzy to 4-warstwową strukturę z trzema złączami.
Tyrystory (SCR) mogą pracować w jednym z trzech stanów, w zależności od wymagań.
Przepływ
Jest to podstawowy tryb pracy SCR. Przełącza się on w tryb przewodzenia przez otwartą bramkę i pozostaje w tym trybie, dopóki prąd nie spadnie poniżej określonej wartości - prądu podtrzymania.
Blokada przepływu prądu
Przy tyrystorze z blokadą do przodu, zamknięta bramka blokuje przepływ prądu, mimo że napięcie jest przyłożone w kierunku, który sygnalizowałby diodzie przewodzenie prądu.
Odwrotne blokowanie
W przypadku tyrystora z blokadą wsteczną prąd próbuje przepłynąć przez SCR w przeciwnym kierunku. Zostaje on jednak zablokowany przez diodę i tyrystor ulega zablokowaniu.
Dzięki zdolności do samopodtrzymywania stanu przewodzenia, tyrystor (SCR) doskonale sprawdza się jako przełącznik prądu stałego w układach z kondensatorem. W obwodzie mocy prąd przepływa od dodatniego bieguna źródła napięcia przez lampę do anody tyrystora. Obwód sterujący jest połączony z układem mocy za pośrednictwem kondensatora, który w stanie początkowym pozostaje naładowany. Rezystor ograniczający zapobiega gwałtownemu spadkowi napięcia w obwodzie sterowania podczas załączania układu.
Naciśnięcie przycisku uruchamia impuls otwierający bramkę, co powoduje przejście tyrystora w stan niskiej rezystancji. Prąd przepływa przez katodę do ujemnego bieguna źródła, powodując zaświecenie lampy. Wyłączenie następuje po wciśnięciu przycisku rozłączającego, który odprowadza prąd z obwodu sterującego. W tym momencie kondensator zmienia biegunowość na przeciwną, co skutkuje gwałtownym spadkiem napięcia na anodzie. W efekcie tyrystor blokuje przewodzenie, a lampa gaśnie.
W obwodzie prądu przemiennego, wykorzystywanym do zasilania silników prądu stałego, tyrystory pełnią funkcję prostowników. Układ sterujący generuje synchroniczne z siecią impulsy zapłonowe w czasie dodatniej połówki sinusoidy i przekazuje je do bramki tyrystora. Odcięta dodatnia połówka fali zasila silnik, a w momencie przejścia napięcia przez zero tyrystor zostaje wyłączony.
Regulując moment wyzwolenia impulsu sterującego, można modyfikować wartość średnią napięcia stałego, co umożliwia efektywne sterowanie prędkością obrotową silników przy minimalnych stratach energii.
Zastosowanie dwóch tyrystorów pozwala na budowę falownika, który przekształca prąd stały w przemienny. Generator impulsów steruje bramkami układu mostkowego, regulując szerokość impulsów – po jednej stronie zwiększając ją, a po drugiej zmniejszając. W efekcie powstaje przebieg przypominający sinusoidę, który następnie jest wygładzany przez filtr składający się z cewek i kondensatorów, uzyskując czystą falę sinusoidalną.
Technologia ta znajduje zastosowanie m.in. w systemach generacji energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych i turbinach wiatrowych, a także w systemach odzyskiwania energii w pojazdach elektrycznych, gdzie silnik działa jako generator.
Połączenie prostownika z falownikiem prowadzi do powstania przemiennika częstotliwości, który przekształca napięcie sieciowe w napięcie stałe, a następnie ponownie w prąd przemienny o wymaganej częstotliwości.
Jak działa triak?
Triak, podobnie jak tyrystor (SCR), jest półprzewodnikowym elementem elektronicznym wykorzystywanym w energoelektronice jako przełącznik w aplikacjach prądu przemiennego. W odróżnieniu od SCR, umożliwia przewodzenie prądu w obu kierunkach, co pozwala na kontrolowanie zarówno dodatnich, jak i ujemnych połów fal AC.
Składa się z czterech warstw krzemu z domieszkami typu p i n, przypominając budową klasyczny tyrystor. Jednak triak posiada dwa wejścia sterujące, określane jako Gate 1 i Gate 2.
Podanie dodatniego napięcia na Gate 1 powoduje przepływ niewielkiego prądu między tym wejściem a warstwą sterującą, co aktywuje element i umożliwia przewodzenie prądu przemiennego między anodą a katodą. Triak pozostaje w stanie przewodzenia do momentu przejścia napięcia przez zero, czyli zmiany polaryzacji prądu.
W tym punkcie automatycznie się wyłącza, blokując dalszy przepływ. Aktywacja może również nastąpić poprzez podanie dodatniego napięcia na Gate 2, co pozwala na sterowanie przewodzeniem w ujemnej połówce fali AC.
1. Main Terminal | 2. Gate
Jak działa Diac?
Diak jest często stosowany do sterowania momentem załączania triaków oraz innych tyrystorów (SCR). Składa się z trzech warstw krzemu domieszkowanego typu p i n, ułożonych w strukturze PNP lub NPN.
Jest to element symetryczny, co oznacza, że działa identycznie w obu kierunkach. W swojej podstawowej formie pełni funkcję diody wyzwalającej o niskim napięciu przebicia, jednak nie posiada wyraźnie wydzielonych warstw P i N.
Jego działanie opiera się na zjawisku przebicia lawinowego w półprzewodniku. Po osiągnięciu określonego napięcia następuje gwałtowny wzrost gęstości prądu, co prowadzi do przełączenia diaka w stan niskiej rezystancji, umożliwiając przewodzenie w obu kierunkach.
Ze względu na precyzję w określaniu momentu załączenia znajduje zastosowanie w regulatorach oświetlenia, układach sterowania silników oraz obwodach czasowych. Podobnie jak triak, umożliwia kontrolę punktu przełączania tyrystorów, wpływając na kształtowanie przepływu prądu.