3.4. Tyristor, diak, triak, funkce, aplikace
Elektronické součástky, které se pod těmito názvy skrývají, byly vyvinuty ke spínacím účelům a používají se hlavně pro účely tzv. bezeztrátové regulace výkonu. Znáte jistě vypínače s kolečkem, kterým se může měnit intenzita světla spínané žárovky, vrtačky s regulací otáček, slyšeli jste o tom, že v tramvajích a elektrických lokomotivách se používá tyristorová regulace výkonu, že existují oblouková svářecí zařízení s tyristorovou regulací apod. Co to vůbec je bezeztrátová regulace? Vysvětleme si tento pojem na příkladu stmívače žárovky. Chceme-li, aby žárovka svítila méně, pak můžeme použít zdroje o nižším napětí; to však není případ, se kterým se setkáváme v praxi nejčastěji. Obvykle máme zdroj napětí, např. zásuvku, jehož napětí je konstantní. Pak máme možnost zapojit do serie se žárovkou odpor, na kterém se vytvoří spád napětí a o toto napětí bude napětí na žárovce nižší. Pak ale na odporu bude vznikat Jouleovo teplo U2/R, které je obvykle zbytečné a jen zvyšuje spotřebu energie (u starých tramvají se teplo vznikající zařazováním odporů před motor při rozjíždění využívalo k vytápění vozů). Vzpomenete-li si na definici efektivní hodnoty napětí jako odmocniny ze střední hodnoty kvadrátu napětí přes periodu, pak tuto efektivní hodnotu lze snížit i tak, že po určitou část periody necháme napětí na žárovce rovno nule a jen po zbytek periody jej k žárovce připojíme bez seriového odporu. Vzhledem k tepelné setrvačnosti vlákna svítí žárovka tak, jak to odpovídá střední hodnotě výkonu přes periodu a tak dosáhneme stejného účinku. (Ve skutečnosti zářivý výkon ze žárovky kolísá v rytmu jejího zapínání a vypínání a ”zařízením”, které středování provádí, je naše oko; podobně jako v kině při promítání filmu.) Seriový odpor spínače je přitom buď roven nekonečnu nebo nule podle toho, je-li spinač rozepnut nebo sepnut. Je-li rozepnut, je na něm výkon nulový protože jím prochází nulový proud (RI2), je-li sepnutý, je na něm výkon nulový protože je na něm nulové napětí (U2/R). Dosáhli jsme tedy snížení efektivní hodnoty napětí a přitom výkonová ztráta na regulačním prvku byla nulová - to je bezeztrátová regulace výkonu, v našem případě výkonu na žárovce.
Tak jako vždy, když řekneme příliš silný výrok, v našem případě bezeztrátová regulace, je realita daleko od pravdy; lépe by bylo říci regulace s mnohem menšími ztrátami ve srovnání s předřadným odporem. Kde jsou tedy ztráty výkonu u ”bezeztrátové” regulace? Předně žádný spinač nespíná ani nerozepíná za nulový čas. Znamená to, že spinač je po určitou dobu odporem reálné ne nulové ani ne nekonečné hodnoty a tedy se na něm ztrácí výkon úměrný době, po kterou v tomto stavu je. Za druhé, mění-li se rychle proud v obvodu, obsahuje jeho Fourierův rozvoj nenulové komponenty s velmi vysokými kmitočty, které se vodiči v obvodu vyzařují jako anténou. To jsou další ztráty výkonu a navíc vyzařování může způsobit vážné poruchy v příjmu rozhlasu a televize a v komunikacích. Zmenšení vyzařování lze provést jen na účet rychlosti spínání a to jde proti požadavku na rychlost spínačů. Prakticky lze říci, že polovodičové tyristorové nebo triakové spínače jsou tak rychlé, že se spínací a rozpínací hrany musí ”zpomalovat” pomocí dolnopropustných filtrů, které ”odříznou” vysokofrekvenční komponenty a omezí tak vyzařování na minimum.
Podívejme se nyní na základní spínací prvek a tím je tyristor. Je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PNPN. Můžeme si jej představit jako dva bipolární tranzistory, jeden PNP a druhý NPN, zapojené podle obrázku 3.34.
obr. 3.34
Emitor tranzistoru PNP je přiložen na kladný pól zdroje napětí, emitor tranzistoru NPN na záporný pól, do řídicí elektrody G tyristoru nechť teče proud IG. Podle 1. Kirchhoffova zákona o proudech v uzlu musí platit
I2=IG+I1
a také, uvážíme-li, že a1I1 je kolektorový proud PNP tranzistoru a a2I2 kolektorový proud NPN tranzistoru (emitorový proud je I2), musí být I2=a1I1+a2I2 (zanedbávali jsme zbytkové proudy a IG vůči a1I1). Z těchto dvou rovnic pak máme pro I2 výraz
I2=-a1IG/(1-(a1+a2)).
Pokud je součet proudových zesílení a1+a2 přibližně roven jedné, může být proud I2 velmi veliký i když proud řídicí elektrodou IG je velmi malý. Jako proud IG může fungovat i závěrný proud kolektorové diody PNP tranzistoru, který, jak víme, může při překročení mezního dovoleného kolektorového napětí vzrůst lavinovitým průrazem kolektorového přechodu. Jakmile je jednou tyristor ve vodivém stavu, zůstává ve vodivém stavu tak dlouho, dokud se proud I2 nesníží pod určitou hodnotu, neboť tranzistory se vzájemně podporují v otevřeném stavu - sepnutým tranzistorem NPN teče záporný proud do báze tranzistoru PNP a opačně sepnutým tranzistorem PNP teče proud do báze tranzistoru NPN. Rozpojíme-li obvod, vrátí se za určitou krátkou dobu (řádově 100 ns) tyristor do výchozího stavu, ze kterého jej můžeme opět sepnout. Totéž se stane, zmenšíme-li proud tyristorem ne úplně na nulu, ale pod hodnotu tzv. přídržného proudu IH, který je parametrem daného typu tyristoru. Funkci tyristoru bychom si mohli představit jako funkci stykače, který by měl jedno vinutí přídržné cívky zapojené do serie se spínaným hlavním obvodem a navíc by měla cívka stykače ještě jedno vinutí navíc vinuté tenkým drátem s mnoha závity. Stykač se sepne zavedením malého proudu do tohoto pomocného vinutí, a pak proud hlavním obvodem udržuje stykač sepnutý; zmenšíme-li tento proud pod určité minimum, pak kotva stykače odpadne a hlavní obvod se rozpojí. Analogie se stykačem pokulhává v rychlosti spínání; zatímco spínací doba tyristoru je v řádu stovek ns, u stykače jsou to desítky milisekund. Charakteristika tyristoru je uvedena na obrázku 3.35.
obr. 3.35
Je zajímavá tím, že křivka charakteristiky není spojitá, ale vykazuje nespojitost, odpovídající zápornému diferenciálnímu odporu. Průběh charakteristiky pro nulový proud řídicí elektrodou lze popsat takto: zvyšujeme-li napětí na tyristoru, teče jím nejprve jen závěrný proud; koeficienty proudového zesílení a1 a a2 jsou malé a proto jmenovatel v naší rovnici pro I2 je jen o málo menší než 1. (Uvědomme si, že koeficient proudového zesílení tranzistoru není konstanta, závisí např. na emitorovém proudu; je-li emitorový proud malý je transport nosičů přes bázi tranzistoru řízen výlučně difuzí a rekombinace v bázi je veliká; zvětšíme-li proud emitoru, vytvoříme v blízkosti přechodu emitor-báze přebytek nosičů a tím vytvoříme i elektrické pole, které pomáhá přenosu nosičů přes bázi => rekombinace je menší a koeficient proudového zesílení bližší jedničce.) Zvyšováním napětí mezi anodou (emitor PNP tranzistoru) a katodou (emitor NPN tranzistoru) tyristoru se proud tyristorem mění jen velmi málo až dojdeme k napětí, kdy dochází k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru PNP. Tím dojde ke zvýšení obou koeficientů proudového zesílení a1 i a2 a jmenovatel našeho výrazu se začne blížit nule za současného vzrůstu proudu IG (závěrný proud kolektorového přechodu I1 de facto reprezentuje proud IG). Tyristor se sepne a zůstane sepnutý, dokud I1=I2 neklesne pod hodnotu IH. Po dobu sepnutí je napětí na tyristoru velmi malé, řádově jeden až několik voltů podle velikosti procházejícího proudu; tyristor se chová jako malý odpor - to je část charakteristiky blíže k ose pořadnic, která rychle s napětím roste. Protože při sepnutí tyristoru roste proud tyristorem při současném snižování napětí na tyristoru, chová se tyristor v okamžiku sepnutí jako záporný odpor. Vzhledem k tomu, že lavinovitý průraz kolektorového přechodu tranzistoru PNP jenom přispěje k otevření tyristoru a tím napětí na tyristoru klesne, není tento průraz pro tyristor nijak nebezpečný.
Teče-li do řídicí elektrody tyristoru proud, je situace velmi obdobná, pouze není nutné dojít k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru, neboť IG v našem vztahu není rovno nule a tím dojde k otevření tyristoru při nižším napětí než v předcházejícím případě. Nebo naopak, je-li na tyristoru napětí menší, než je napětí nutné pro sepnutí tyristoru s nulovým IG, můžeme tyristor sepnout krátkým proudovým impulsem do řídicí elektrody; to je nejběžnější způsob spínání tyristoru.
Tyristor může též sepnout při napětí podstatně nižším, než je spínací napětí s nulovým proudem IG tehdy, když napětí na tyristoru rychle roste. Tehdy se uplatňují kapacity přechodů a jako proud IG ”zafunguje” proud přes kapacitu přechodů, který sepne tyristor. Tento většinou parazitní efekt je možné odstranit pouze omezením rychlosti vzrůstu napětí na tyristoru; např. vhodným filtrem.
Jak již bylo řečeno, používá se tyristor pro bezeztrátovou regulaci výkonu. Jeho použití je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí. Nejjednodušší je použít pro řízení fáze jednoduchého RC členu s měnitelnou časovou konstantou RC například pomocí proměnného odporu, obrázek 3.36.
obr. 3.36
Je-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.
Pomalu vzrůstající napětí na řídicí elektrodě tyristoru může vést k jeho zapínání v ne zcela přesně určený časový okamžik; proto je vhodné zařadit do obvodu ještě prvek, který změní pomalý průběh napětí na kondenzátoru ve strmý proudový impuls. Touto součástkou je diak (diac), který si můžeme představit jako tyristor s nevyvedenou řídicí elektrodou. Po dosažení určitého napětí mezi anodou a katodou spíná se tedy diak do malého odporu a proto je ideální spínací součástkou v obvodu řídicí elektrody tyristoru. Tak jako tyristor rozpíná se diak zmenšením proudu mezi anodou a katodou pod určitou hodnotu přídržného proudu. Diak je jednoduchá a spolehlivá součástka, kterou je vhodné ve spínacích obvodech tyristorů používat. Na obrázku 3.36 je proto diak již zakreslen.
Jistě jste si všimli, že tyristor nespíná v obou polaritách; rozlišuje se anoda a katoda tyristoru. Je-li na katodě tyristoru kladné a na anodě záporné napětí, teče tyristorem jen závěrný proud a nelze jej proudem do řídicí elektrody sepnout. Navíc vzhledem ke své složitější struktuře než obyčejná dioda, je náchylnější na průraz v závěrném směru a proto se doporučuje zapojit do serie s tyristorem jednu usměrňující diodu. Tím ovšem je maximální výkon omezen na polovinu možného výkonu. Odpomoc je možná dvojím způsobem: buď použijeme před tyristorem Graetzův usměrňovač, takže na tyristoru bude vždy jen napětí jedné polarity, nebo použijeme dva antiparalelně zapojené tyristory. V tomto případě se tyristory s výhodou spínají pomocí malých impulsních transfrmátorů, neboť k sepnutí tyristoru potřebujeme jen časově velmi krátký impuls, řádově m s. Tyristory se vyrábějí pro napětí od stovek voltů do několika kV a pro proudy od jednotek A do několika kA. Je možné je použít i pro spínání stejnosměrných obvodů; pak je nutné se postarat o vypínání tyristoru speciálním obvodem, který, např. sepnutím kondenzátoru k anodě tyristoru na chvíli ”převezme” proud obvodem a tím proud tyristorem klesne pod hodnotu přídržného proudu IH. Pro obvody se stejnosměrným napětím je typické řízení výkonu impulsem stejné šíře a změnou frekvence (vzpomeňte si na tramvaje, při rozjezdu ”kňučí” na vyšším kmitočtu), pro obvody střídavého napětí, kde je kmitočet dán, mění se výkon změnou šířky aktivní části periody, tj. části periody, po kterou je zátěž připojena ke zdroji.
Pro relativně malé výkony, tj. pro napětí typická v rozvodné síti a proudy do několika ampér byly vyvinuty vícecrstvé prvky, které pracují stejně jako dva antiparalelně zapojené tyristory s tím rozdílem, že mají jen jednu řídicí elektrodu; říká se jim triak. Zatímco tyristory byly vyrobeny pro řízení výkonů až do řádu megawattů, triaky vzhledem ke své složitější struktuře a tím větší náchylnosti na průraz zůstávají doménou pro regulaci intenzity domácího osvětlení, otáček vrtaček, vysavačů a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů; jejich výhoda tkví v jednoduchosti zapojení.
Pro fázové řízení triaků a tyristorů byly vyvinuty integrované obvody, které umožňují ”lineární” řízení fáze spouštění. V každé půlperiodě ”vyrobí” lineárně vzrůstající pilovité napětí a tyristor se sepne v okamžiku, kdy se toto napětí vyrovná konstantnímu napětí řízenému zvnějšku potenciometrem. Fáze sepnutí je tedy přímo úměrná úhlu otočení potenciometru (za předpokladu, že se jedná o potenciometr s lineárním průběhem odporu). Tyto integrované obvody jsou napájeny přímo ze sítě a tak pro konstrukci např. regulátoru otáček vysavače stačí triak, tento integrovaný obvod, potenciometr a několik málo dalších součástek.
Dříve, než opustíme tuto kapitolu o spínacích polovodičových prvcích je třeba si zdůraznit potřebu odrušení těchto regulátorů. Existuje řada amatérských konstrukcí těchto regulátorů, které sice bezchybně fungují, ale ”zamořují” ovzduší širokým spektrem vyzařovaných kmitočtů. Možná si vzpomínáte, že když měl soused špatně odrušený mixer nebo vysavač, pak, když tento spotřebič používal, nešlo se dívat na televizi nebo dokonce ani poslouchat radio. V tomto případě šlo o šíření těchto rušivých kmitočtů přímo po rozvodné síti, v případě špatně odrušeného např. zapalování u motorů, se jedná o přenos vzduchem. Z tohoto důvodu všechny spotřebiče, které mohou potenciálně vyzařovat energii, jsou podrobovány v rámci schvalování každým státem přísné kontrole na tak zvanou elektromagnetickou kompatibilitu, EMC (Electro-Magnetic-Compatibility). Jedná se jak o úroveň vyzařování, tak o citlivost na tyto rušivé vlivy; neradi bychom třeba letěli v letadle, jehož navigační systém by mohl být ovlivněn tím, že v blízkosti letiště jezdí tyristorově řízené tramvaje. EMC se stává čím dál víc součástí ekologického nahlížení na svět okolo nás a proto bychom měli i my přispět alespoň tím, že nebudeme neodrušené nebo špatně odrušené výrobky používat.
