Tyristor

Tyristor je polovodičová součástka se třemi PN přechody, která se používá jako spínač k regulaci výkonu - tzv. bezeztrátové regulaci.

Jak je vůbec možno jednoduše regulovat výkon (odporová regulace)? Rozmyslete si to, odpověď je zde ¤.

A jak funguje bezeztrátová regulace? Nakreslíme-li si graf závislosti okamžitého výkonu na čase, je celková práce W za čas T rovna "ploše pod křivkou výkonu" a průměrný výkon vypočteme jako P = W / T. Tedy čím menší je "plocha pod křivkou", tím menší je průměrný výkon spotřebiče. Jelikož okamžitý výkon p je roven součinu okamžitých hodnot napětí u a proudu i, je možno ho regulovat tak, že v obvodu nebude žádný rezistor navíc, ale proud obvodem poteče pouze po část periody (budu mít v obvodu spínač, který se bude periodicky spínat a rozepínat (obr. 1)) - obr. 2 - 5.

obr. 1

obr. 3: Časový průběh jednocestně usměrněného proudu v obvodu se spínačem. Spínač se periodicky spíná a rozepíná, když je rozepnut, proud neteče.

Plocha pod křivkou výkonu na obr. 5 je menší než na obr. 4 => průměrný výkon na obr. 5 je větší než na obr. 4. Připojíme - li žárovku do obvodu s průběhem proudu podle obr. 3, bude svítit méně než kdyby jí procházel proud stále.

Regulačním prvkem je zde tedy spínač, čili na něm by mohly nastávat ztráty. Ovšem je-li spínač rozepnut, je výkon na spínači roven nule, protože jím protéká nulový proud. Je-li spínač sepnut, je výkon na něm také nulový, protože má (alespoň ideální spínač) nulový odpor. Efektivní hodnota proudu a obvodu a tedy i výkon žárovky se snížil, ale nejsou žádné ztráty - regulace je bezeztrátová.

Ve skutečnosti nějaké ztráty přece jen nastávají. O jejich příčinách se dozvíte zde.

Princip tyristoru:

Tyristor je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PN. Je to vlastně čtyřvrstvá dioda ¤ s vyvedenou další elektrodou - řídící elektroda G (obr. 6). Strukturu tyristoru si (podobně jako u čtyřvrstvé diody ¤) můžeme představit následujícím způsobem (obr. 7).

Není-li na řídící elektrodě G žádné napětí (proti katodě), je tranzistor 2 zavřený. Proto má velký odpor a je na něm celé napětí zdroje => žádné napětí "nezbude" na tranzistor 1 => ten je také zavřený.

Přiložíme-li na G napětí, tranzistor 2 se otevře (teče proud do jeho baze - viz princip tranzistoru ¤) a tím může procházet proud i bazí tranzistoru 1 a ten se také otevře. I když bychom teď odstranili napětí na G, proud bude tranzistory procházet dále - oba se navzájem podporují v otevřeném stavu (stejně jako u čtyřvrstvé diody ¤). Proud přestane procházet až teprve při poklesu proudu mezi A a K na nulu nebo na určitou hodnotu tzv. přídržného proudu (danou typem tyristoru). Toto je tzv. tyristorový jev. Na pokus se podívejte na video ¤(formát *.rm 621 kB, ev. formát *.avi ¤ 3595 kB).

VA charakteristika:

Charakteristika v závěrném směru je v podstatě stejná jako charakteristika diody. Při určitém napětí dojde k průrazu. Vzhledem k tomu, že tyristor má složitější strukturu než dioda, je náchylnější na průraz. Většinou se proto zapojuje sériově s další diodou.

Charakteristika v propustném směru s odpojenou řídící elektrodou je stejná jako charakteristika čtyřvrstvé diody ¤. Při spínacím napětí nastane průraz na tom jednom přechodu, který je v závěrném směru, a napětí na tyristoru prudce klesne a proud rychle vzrůstá.

Prochází-li proud řídící elektrodou, spínací napětí se snižuje. Je-li na tyristoru napětí menší, než je spínací napětí nutné pro sepnutí tyristoru s nulovým I_G, můžeme tyristor sepnout krátkým proudovým impulsem do řídicí elektrody; to je nejběžnější způsob spínání tyristoru.

Použití:

Tyristor se používá 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 řídící elektrody 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 (obr. 10).

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 se do obvodu zařazuje ještě diak ¤, který změní pomalý průběh napětí na kondenzátoru ve strmý proudový impuls.

Tyristory se vyrábějí pro napětí od stovek voltů do několika kV a pro proudy od jednotek A do několika kA.

Tyristorová regulace výkonu je značně rozšířená. Jde například o regulaci svitu žárovek, vrtačky s regulací otáček, svářečky, moderní tramvaje nebo elektrické lokomotivy.

Poznámka:

Jak již bylo řečeno ¤, energie se na tyristoru ztrácí tím, že se při spínání a rozpínání vyzařuje do okolí ve formě elektromagnetického vlnění. Toto vlnění může nežádoucím způsobem ovlivňovat jiná zařízení - používá-li soused špatně odrušený vysavač, nelze se dívat na televizi nebo poslouchat rádio. Z tohoto důvodu jsou všechny spotřebiče, které mohou potenciálně vyzařovat energii, přísně kontrolovány na tzv. elektromagnetickou kompatibilitu. 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.


obr. 7: Nahrazení struktury tyristoru dvěma tranzistory