Tyristori on elektroninen kytkin puolijohde on kiinteässä tilassa , joka koostuu neljästä kerroksesta vuorotellen seostettu N ja P. Tämä on yksi keskeisistä komponenteista tehoelektroniikan . Se on saanut nimensä kreikan thurasta, joka tarkoittaa porttia, ja loppuliitteestä "istor", joka tulee sanasta transistori . Se käyttäytyy kuin synkroninen keinukytkin , toisin sanoen sitä ohjataan sytytyksellä liipaisimella (g), mutta ei sammumisella, joka johtuu päävirran I kulkemisesta pitovirran I H alapuolelle .
Ensimmäinen kaupallinen tyristorit ilmestyi vuonna 1956. Niiden kyky hallita suuria määriä tehon ja jännitteen liittyy suuri tiiviyttä niille mahdollisuuden löytää monta käyttömahdollisuutta tehoelektroniikan: niitä siis käytetään muuntimia. Staattinen kuten himmentimet , ohjattu tasasuuntaajat , taajuusmuuttajat , ohjaukseen sähkömoottoreita , onko teollisuudessa, rautatie- , avioniikka tai auto- , sillä HVDC voimalinjat , jne Ne ovat erityisen sopivia, kun teho on suuri mutta taajuus matala.
Tavanomaiset tyristorit käyttävät virran nollarajan ylittämistä, mikä tekee niistä itsestään käyttökelvottomia tasavirran ohjaukseen . Rakenteelliset muutokset mahdollistavat tyristorien avaamisen laukaisusignaalin ansiosta, esimerkiksi GTO : n tapauksessa . Lisäksi, koska tyristorien johtamis- / estotoimintatapa on kaikki tai ei mitään , ne eivät sovellu analogisten vahvistimien tuottamiseen .
Tyristoria kutsutaan joskus SCR: ksi ( piiohjattu tasasuuntaaja tai "ohjattu pii tasasuuntaaja").
Tyristori on kolminapainen puolijohde- elektronikomponentti, joka koostuu neljästä piikerroksesta, jotka on vuorotellen seostettu akseptoreiden (P) ja luovuttajien (N) kanssa. Tyristorin PNPN-kerroksinen rakenne voidaan mallintaa kahdella PNP- ja NPN- transistorilla, jotka on kytketty alla olevan kaavion mukaisesti. Kaksi pääterminaalia: anodi ja katodi sijaitsevat neljän kerroksen kummallakin puolella. Kolmatta liitintä, jota kutsutaan liipaisimeksi, käytetään tyristorin ohjaamiseen. Se on kytketty P-kerrokseen lähellä katodia. Voimme mallintaa tyristorin toiminnan kahdella bipolaarisella transistorilla, jotka on kytketty siten, että muodostuu kiikku:
Noudattamalla vastaanottimen käytäntöä voimme määritellä:
Tyristorilla on kolme mahdollista tilaa:
Tyristorilla on kolme PN-liitäntää , nimeltään J 1 , J 2 , J 3 anodista (katso yllä). Kun V ak on positiivinen (positiivinen anodi suhteessa katodi), mutta ei virta tulee kautta liipaisimen, liitosten J 1 ja J 3 ovat positiivisesti esijännitetty (positiivinen jännite P suhteessa N), kun taas J 2 on negatiivisesti polaroitu (positiivinen jännite N: ssä suhteessa P: hen). J 2 estää siten johtumisen.
Tyristorin luonteenomainen IV esitetään päinvastoin:
Jos jännite V ak ylittää käynnistysjännitteen arvon (4 ominaiskäyrällä), risteys J 2 alkaa johtaa, myös tyristori (6 ominaiskäyrällä).
Jos V gk on positiivinen, käynnistysjännitteen arvo pienenee: V ak: n on oltava pienempi, jotta tyristori voi toimia. Valitsemalla Olen GK harkiten , tyristori voidaan helposti käynnistää.
Kun lumivyöryvaikutus on tapahtunut, tiristori jatkaa ajoaan liipaisuvirran arvosta riippumatta, kunnes:
V gk voidaan siis toimittaa sykäyksittäin, esimerkiksi nojalla lähtöjännitteen rentoutumisen oskillaattorin unijunction transistorin tyyppi .
Kun tyristori on sinimuotoisessa vaihtovirtajärjestelmässä , mikä on yleensä tapana, on tapana määritellä viive t 0 hetken, jolloin V ak: n positiiviseksi tulemisesta, ja liipaisupulssin alkamisen välillä kulmalla, jota kutsutaan " viivekulma käynnistyksen yhteydessä (tai avautumisen yhteydessä) "ja merkitty α siten, että α = ω × t 0 .
Liipaisimelle on tunnusomaista sen lähtöjännite, jota merkitään V gk , ja sen käynnistysvirta , jota merkitään I gk ; ohjauspiirin on oltava sellainen, että generaattorin kuormitusjohto sijoitetaan liipaisinkatodiliitoksen jännitteen / virran ominaiskäyrän turvalliseen aloitusosaan. Pulssin kesto riippuu kuorman luonteesta, induktiivisen kuormituksen tapauksessa pulssin tulisi olla kestoltaan suurempi kuin nykyiselle virralle tarvittava aika I ak ylittää pitovirran I H arvon . Tyristorin kokonaispolttoaika (laukaisuviive plus laukaisuaika) riippuu hilavirran amplitudista, mitä suurempi tämä virta, sitä lyhyempi aika ja päinvastoin.
Jos haluat estää tyristorin, kun se on jo johtavassa tilassa, on käytettävä ulkoista virtapiiriä. Ensimmäinen mahdollisuus on käyttää negatiivista jännitettä sen liittimiin, tätä kutsutaan linjakytkimeksi (esimerkiksi vaihtovirta- sähköverkoksi ) tai luonnolliseksi kytkennäksi. Toinen koostuu toisen tyristorin aktivoinnista, joka sallii sitten kondensaattorin purkautumisen ensimmäisen tyristorin katodin läpi. Tätä kutsutaan pakotetuksi vaihtamiseksi.
Kun virta on sammutettu, tyristori tarvitsee lepoaikaa ennen kuin se saa takaisin estotehonsa. Puhumme t q: n estämisestä tai purkamisesta . Sen suuruusjärjestys vaihtelee tyristorityyppien mukaan (tavallisesti 10-100 µs ). Jos sen liittimiin kohdistetaan positiivinen jännite ennen tämän viiveen loppumista, varauksen kantajat ( reiät ja elektronit ) eivät ole vielä kaikki yhdistyneet uudelleen, ja tyristori käynnistyy uudelleen ilman liipaisupulssia. Tätä kutsutaan kytkentävirheeksi.
Siksi, jos taajuus on korkea, tarvitaan pieni lepoaika. Nopeat tyristorit voidaan toteuttaa diffuusioimalla raskasmetalli-ioneja, kuten kulta tai platina , jotka tekevät piin rekombinaatiosta lyhyemmän. Vuonna 2014 suosittiin muita ratkaisuja: joko piitä säteilytettiin elektronilla tai protoneilla tai implantoimalla ioneja. Säteily on monipuolisempaa kuin raskasmetalliseostus, koska annostusta voidaan säätää pienillä kosketuksilla jopa valmistuksen lopussa.
Tyristori voi käynnistyä myös odottamatta, jos:
Jännitteen nousun rajoittamiseksi pellin piiri voidaan asentaa anodin ja tyristorin katodin väliin. Se voi olla yksinkertainen RC-piiri .
Tyristoreiden valmistajat asettavat tyypillisesti jännitteen, virran ja lämpötila-alueen nimelliskäyttöä varten. Liipaisimen maksimiteho on myös otettava huomioon. Nykyistä I ak -arvoa ei saa luoda liian nopeasti (di / dt) seuraamuksena komponentin liian suuren paikallisen lämmityksen tuottamisesta, mikä voi johtaa sen tuhoutumiseen.
Tyristori (SCR), joka myöhemmin nimettiin Thyristor, oli kuvitellut William Shockley vuonna 1950, ajatus sitten kypsynyt ansiosta työtä Bell Labs ja Moll erityisesti. Lopulta sen rakensivat vuonna 1956 General Electricin insinöörit Gordon Hallin johdolla. Sen markkinoi lopulta GE: n työntekijä Frank W. “Bill” Gutzwiller.
Aikaisemmin kaasu putki , jota kutsutaan thyratron ollut sähköisten ominaisuuksien samanlainen kuin tyristori. Pieni ohjausjännite, joka mahdollistaa suuren virran kytkemisen. Sanojen " tyratroni " ja "transistori" sekoitus antaa termin "tyristori", joka korvasi noin 1965 noin General Electricin käyttämän lyhenteen SCR. Itse sana tyratroni koostuu etuliitteestä "thyr-", joka tulee kreikkalaisesta thurasta, joka tarkoittaa ovea, ja etuliitteestä tron, joka tarkoittaa instrumenttia.
Käänteisessä johtavassa tyristorissa on integroitu diodi, joka on asennettu päähän pyrstöön tyristorin suhteen. Tämä säästää vapaasti pyörivää diodia joissakin piireissä. Lisäksi näitä kahta elementtiä ei koskaan ajeta samanaikaisesti, voidaan käyttää yhteistä jäähdytysjärjestelmää. Niitä käytetään usein taajuusmuuttajissa ja taajuusmuuttajissa.
Optisesti käynnistetyt tyristorit ( valon laukaisema tyristori ) käyttävät valoa virran sijasta liipaisimen aktivoimiseksi. Jälkimmäinen asetetaan sitten tyristorin keskelle. Valonsäde, yleensä infrapuna , lähetetään optisen kuidun kautta. Tätä ratkaisua käytetään erittäin suurjännitesovelluksissa, tyypillisesti HVDC: ssä, jotta liipaisuelektroniikkaa ei tarvitse sijoittaa tyristorien potentiaaliin.
Piikarbidi (SiC) on materiaali, joka voi korvata piin rakentamiseen tyristorien. Sen etuna on kestää ympäristön lämpötilaa jopa 350 ° C: seen . Niiden käyttö on suhteellisen viimeaikaista.
Tyristori voi johtaa vain yhteen suuntaan, kaksisuuntaisen käytön yhteydessä on käytettävä joko kahta tyristoria, jotka on asennettu päähän hännään , tai Triacia tai tietyissä tapauksissa diodiin, joka on asennettu rinnakkain tai käänteisjohtamistyristori.
Tyristorit kilpailevat tehoelektroniikan alalla GTO: n, IGCT: n ja IGBT : n kanssa. Kaikilla näillä muilla komponenteilla on se etu, että ne voivat hallita aukkoaan. Ne tarjoavat myös mahdollisuuden työskennellä korkeammalla taajuudella. Toisaalta tyristori on komponentti, jolla on pienimmät tappiot.
Tyristoreja käytetään pääasiassa silloin, kun jännite, virta tai molemmat ovat korkeita. Ne mahdollistavat sitten kuormalle kohdistetun virran amplitudin säätämisen. Niiden avautuminen johtuu yleensä nykyisestä nollan ylittämisestä: vaihtamalla linjan kautta. Sovelluksista riippuen säätö voidaan tehdä muuttamalla viivekulmaa aukossa kuten vastakkaisessa animaatiossa (vaihekulman säätö) tai kokonaisilla aaltojunilla kuten joissakin himmentimissä .
Tyristoreita tai triakeja , toisin sanoen kahta päähän asti asennettua tyristoria, joilla on pieni teho, käytetään kodinkoneiden yleismoottoreiden pyörimisnopeuden säätämiseen . Niitä voidaan käyttää myös valon suodattamiseen erityisesti elokuvateattereissa, joissa ne ovat korvanneet autotransformaattorit ja reostaatit . Niitä käytetään myös kameran välähdyksissä. 1970-luvun lopulla niitä käytettiin myös Triacs-muodossa televisioiden virtalähteessä piiriin syötetyn suoran jännitteen vakauttamiseksi. Toimitetusta vaihtojännitteestä riippuen tyristorien viivekulma sovitetaan vaihteluiden kompensoimiseksi. Myöhemmin ne korvattiin bipolaarisilla transistoreilla ja MOSFETeillä .
Yhdessä Zener-diodin kanssa niitä voidaan käyttää digitaalisten piirien suojaamiseen ylijännitteiltä. Normaalikäytössä molemmat elementit ovat tukossa. Jos jännitteestä tulee suurempi kuin Zener-jännite, tyristori muuttuu johtavaksi ja aiheuttaa oikosulun, joka sytyttää virtalähdettä suojaavan sulakkeen. Tämän laitteen etu yksinkertaisella kytkimellä on, että se sallii varausten ja ylijännitteen purkamisen maahan.
Tyristoreita käytetään laajalti teollisuudessa, kun teho ylittää noin 2 kW . Ne toimivat usein tasasuuntaajina . Niitä käytetään säätämään asynkronisia oravakehikon sähkömoottoreita vääntömomentissa ja siten rajoittamaan käynnistysvirtoja. DC-moottoreissa tyristoreita käytetään nopeuden säätämiseen säätämällä tasasuuntaajan lähtöjännitettä.
Tasasuuntaaja / invertteripiirin tapauksessa, jolloin taajuus voidaan muuttaa, tyristoreita käytetään säätämään kahden elementin välistä tasajännitettä.
Taajuusalueella menee muutama tuhat Hz muutamia kymmeniä kHz jossa tyristorien käytettiin aikaisemmin, koska 2000-luvulla , IGBT enemmän soveltuvat nämä hakemukset on käytetty sen sijaan .
Tyristoreihin perustuva kolmivaiheinen Graetz-silta, tasasuuntaaja.
Graetz-sillalta lähtevä jännite ja virta tyristorin viivakulman ollessa nolla.
Graetz-sillalta lähtevä jännite ja virta tyristorin viivakulman ollessa 20 °.
Graetz-sillalta lähtevä jännite ja virta tyristorin viivakulman ollessa 40 °.
Tyristorit, joilla on sekä suuri sallittu kestovirta että korkea estojännite, soveltuvat sovelluksiin, joihin liittyy suuri sähköteho. Voimajohtojen DC (HVDC) otettava erityisesti hyödyntää näitä ominaisuuksia korjaamiseksi vaihtovirran toisaalta ja heiluttaen muut. Tässä kentässä käytetään sähköisesti käynnistettyjä tiristoreita (ETT), mutta myös optisesti käynnistettyjä transistoreita (LTT), joista jälkimmäiset mahdollistavat ohjauselektroniikan ja tyristorien eri potentiaalien, mutta niiden valmistus ja suunnittelu ovat kaiken kaikkiaan monimutkaisempia. HVDC: n kohdalla tyristorit on järjestetty venttiileiksi, toisin sanoen kytkimiksi. Kukin niistä koostuu monista tyristoreista sarjaan ja rinnakkain: sarjaan jännitteen lisäämiseksi, rinnakkain virtaan. Venttiilit on yleensä ripustettu katosta eristämään ne sähköisesti maasta. Tyristorit jäähdytetään häviöiden poistamiseksi deionisoidulla vedellä.
FAKTA , joiden tehtävänä on vakauttaa ja optimoida sähköverkoissa, ja on läheinen suunnittelu HVDC myös tyristorit.
Tyristoreita käytetään suuritehoisten sähkömoottoreiden sekä keskitehon ohjaamiseen. Joten ensimmäiset ICE: t käyttivät niitä, uusissa GTO ja IGCT kuitenkin korvasivat ne.
Tyristori tasasuuntaajat voidaan myös käyttää elektrolyysin ja alumiinin tai klooria .