Elementy elektroniczne dużej mocy

Tyrystory

Jak wiadomo, dioda krzemowa składa się z dwóch warstw półprzewodnika: typu n i typu p. Niewiele bardziej skomplikowana struktura czterowarstwowa (n-p-n-p) daje dodatkowe możliwości: tworzy tyrystor, który jest dwustanowym (załącz/wyłącz) elementem sterowanym prądem bramki. W przybliżeniu można przyjąć, że czterowarstwowa struktura tyrystorowa to połączenie dwóch komplementarnych tranzystorów według rysunku 5. Z uwagi na podobne działanie nazwa pochodzi od tyratronu (thyristor = thyratron + transistor, czyli tranzystorowy tyratron). Tyrystor nazywany jest też sterowanym prostownikiem krzemowym – silicon-controlled rectifier (SCR).

Rysunek 5.

Tyrystor to element dwustanowy: albo oba tranzystory składowe są zatkane, wyłączone, albo oba są w pełni otwarte i element zachowuje się jak pojedyncza dioda. Włączony tyrystor przewodzi, aż przestanie przezeń płynąć prąd (ściślej aż prąd ten zmniejszy się do bardzo małej wartości).

Wydawałoby się, że taki dwustanowy element nadaje się tylko do obwodów prądu zmiennego jako zamiennik tyratronów i ignitronów. Pierwsze tyrystory pojawiły się w roku 1956, gdy parametry tranzystorów dużej mocy były słabe, natomiast można było realizować tyrystory o dużych napięciach i prądach pracy. Wielu współczesnych elektroników ze zdziwieniem odkrywa, że kilkadziesiąt lat temu tyrystory wykorzystywano z powodzeniem także w obwodach prądu stałego, stosując sprytne sposoby ich wyłączania.

Do dziś z powodzeniem stosowane są w energetyce zarówno jako prostowniki, jak też w roli przełączników zastępujących przekaźniki.

Tyrystor jako sterowana dioda przewodzi prąd w jednym kierunku. Zamiast dwóch tyrystorów włączonych antyrównolegle opracowano pojedynczy element – tyrystor dwukierunkowy – triak.

Ma on strukturę pieciowarstwową i może być włączany przy dowolnej biegunowości napięcia głównego i prądu bramki. Taka uniwersalność wiąże się jednak z pewnymi wadami i triaki są wykorzystywane w obwodach sieci 230 V 50 Hz przy prądach do kilkudziesięciu amperów. Wad takich nie ma w prostszych tyrystorach i już dawno budowano tyrystory o prądach setek amperów i napięciach pracy mocno ponad 1000 woltów. Powstały też potężne tyrystory, które można wyłączyć za pomocą bramki (gate turn-off thyristor – GTO).