ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 4. Vícevrstvé spínací součástky Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

Tyristor Součástka se třemi elektrodami: katoda, hradlo, anoda P N Katoda Anoda Hradlo Řízený do katody Struktura P N Katoda Anoda Hradlo Řízený do anody Struktura Schématická značka A K G Schématická značka A K G

Tyristor PNPN řízený do katody G N2 J1 J2 J3 Struktura 4 polovodičové vrstvy: P1, N1, P2, N2 3 P-N přechody: J1, J2, J3

Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru a) Hradlo bez předpětí – blokovací stav UAK = + 15 V Přechod J2 je polarizován v závěrném směru – široká vyprázdněná zóna Přechody J1 a J3 jsou polarizovány do propustného směru – úzké vyprázdněné zóny Ve vyprázdněných zónách se teplem generují páry elektron-díra Protéká pouze velmi malý proud: I0 = In0 = Ip0 A In0 P1 J1 N1 J2 G P2 J3 N2 Ip0 K 0 V

Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru b) Hradlo bez předpětí – průraz K A G J1 J2 J3 UAK = + 25 V 0 V In0 Ip0 P1 N1 N2 Ip1 In1 Při zvyšujícím se napětí UAK dojde k průrazu přechodu J2 Zvětšené proudy děr Ip0 a In0 otevírají přechody J1 a J3 (Napětí na J1 a J3 vzroste) Z vrstvy N2 vychází proud elektronů In1 a z vrstvy P1 proud děr Ip1. Celý prostor součástky se začíná zaplavovat rekombinujícími nosiči.

Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru c) Hradlo bez předpětí – sepnutý stav K A G J1 J2 J3 UAK = + 1 V 0 V P1 N1 N2 Ip1 In1 V důsledku vzrůstu napětí na přechodech J1 a J3 poklesne napětí na J2 a průraz ustane. Prostor součástky je zaplaven nosiči které vytvářejí vysoce vodivé prostředí V důsledku nízkého odporu součástky klesá napětí UAK Protéká vysoký proud: IAK = In1 + Ip1

Tyristor polarizovaný do předního směru c) Hradlo předepnuto – spínání Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru c) Hradlo předepnuto – spínání K A G J1 J2 J3 UAK = + 10 V 0 V P1 N1 N2 Ip0 In1 In0 In InG IpG UGK =0,8 V Přiložením napětí UGK se otevře přechod J3 jako u tranzistoru NPN Proud In1 překonává vyprázdněnou oblast přechodu J2 Dále prochází vrstvou N1a překonává přechod J1, polarizovaný v propustném směru

Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru d) Sepnutý stav – hradlo bez předpětí Vstupem proudu elektronů In1 na přechod J1 se přechod otevře a proud děr Ip1 driftuje až k J3 Oba proudy se ustálí na vysoké úrovni. Polovodič je zaplaven nosiči náboje, odpor součástky klesá Napětí UAK na anodě klesá Proud hradla už není zapotřebí – lze zcela odejmout napětí UGK K A G J1 J2 J3 UAK = + 1 V 0 V P1 N1 N2 Ip1 In1

Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do závěrného směru e) Závěrný stav – hradlo bez předpětí Přechody J1 a J3 jsou polarizovány v závěrném směru, přechod J2 v propustném směru Napětí UAK je rozděleno mezi přechody J1 a J3 Protéká pouze velmi malý proud zbytkový: I0 = In1 + In2 = Ip1 + Ip2 I když dojde k průrazu, napětí na součástce neklesá (podobně, jako u Zenerovy diody) K A G J1 J2 J3 UAK = - 15 V 0 V P1 N1 N2 Ip01 In02 Ip02 In01

Jiný výklad funkce tyristoru Bez předpětí UGK na hradle jsou oba tranzistory zavřené. Připojením kladného předpětí hradla se otevře tranzistor T1. Proud tranzistoru T1 sníží napětí na bázi T2 a ten se také otevře. Kolektorový proud T2 zvýší napětí na bázi T1, takže další předpětí UGK není nutné. P1 N1 N2 P2 K G A K A G PNP NPN UAK = 15 V UGK T1 T2

Charakteristiky tyristoru Sepnutý stav Přídržný proud IH Vratný proud IA UAK IG1 IG2  IG1 Blokovací stav Závěr Parametry: Napětí v propust. směru UF Průrazné napětí v závěr. směru UBR Přídržný proud (propust. směr) IH UBR UF

Dynamické vlastnosti tyristoru iG t uT UD tgt (zapínací doba) 0,1UD iT IH tmin Průběh zapnutí tyristoru t trr (doba zotavení) iT uT Průběh vypnutí tyristoru tq (vypínací doba)

Typické parametry tyristorů PARAMETR OZNAČENÍ HODNOTY Střední proud v propust. směru IF 100 mA – 10 A Neopakovatelný špičkový proud v propustném směru IFSM Napětí v propust. směru UF 0,8 – 1,5 V Průrazné napětí v závěr. směru UBR 25 V – 250 V Max. zbytkový proud IRmax Spínací proud hradlem IGT 1 mA – 100 mA Přídržný proud (propust. směr) IH Doba sepnutí tgt 10 s – 10 ns Doba vypnutí tq Doba zotavení trr 10 s

Aplikace tyristorů Řízené usměrňovače Spínání velkého proudu, řízení motorů Rychlé impulzní spínače Vypínání tyristoru: Běžný tyristor nelze vypnout hradlem – nutno snížit proud tyristorem pod tzv. přídržný proud IH Specielní tyristory pro velké výkony GTO (Gate Turn-Off) umožňují vypínání proudu hradlem

Aplikace tyristorů Řízené usměrňovače Řízení v každé periodě UZ1 U t Řízení v každé periodě U1 UL Okamžiky sepnutí Řízení výběrem period U1 UL UZ2 t U UL RL D1 R1 R2 UG U1=U10sin(t) T1 CS

Triak Součástka se třemi elektrodami: Anoda 1 (A1), Anoda 2 (A2), Hradlo (G) Struktura Funkce A1 A2 G N4 N2 N1 N3 N5 P2 P1 a) A1 kladná, A2 záporná: tyristor P2N1P1N3 spínání : + na G b) A1 záporná, A2 kladná: tyristor P1N1P2N2 spínání : - na G

Triak Charakteristiky a značka Charakteristika Schematická značka uT iT Blokovací stav Sepnutý stav A1 A2 G

Struktura: Tři vrstvy - NPN Diak Součástka se dvěmi elektrodami: Anoda 1 (A1), Anoda 2 (A2) Struktura: Tři vrstvy - NPN Schématická značka A1 A2 N P vyprázdněná oblast UAA IA

Voltampérová charakteristika Diak Voltampérová charakteristika IA UAA UBRCE UBRCB I0 Blokovací stav Přechodný stav Sepnutý stav Aplikace Omezování střídavých napětí Generování rychlých pulzů pro ovládání tyristorů Nehodí se pro spínání – má velké zbytkové napětí UBRCE