Prečo moderné striedače používajú tranzistory, nie tyristory

Tyristory patria k polovodičovým zariadeniam štruktúry p-n-p-n a v skutočnosti patria do špeciálnej triedy bipolárne tranzistory, štvorvrstvové, tri (alebo viac) prechodných zariadení so striedavou vodivosťou.

Tyristorové zariadenie mu umožňuje pracovať ako dióda, to znamená prechádzať prúd iba jedným smerom.

A tiež ako tranzistor s efektom poľa, tyristor existuje kontrolná elektróda. Navyše, ako dióda, má tyristor zvláštnosť - bez vstrekovania menšinových nosičov pracovných nábojov cez regulačnú elektródu sa neprejde do vodivého stavu, to znamená, že sa neotvorí.

Zjednodušený tyristorový model nám umožňuje pochopiť, že kontrolná elektróda je tu podobná základni bipolárneho tranzistora, existuje však obmedzenie, že pomocou tyristora je možné tyristor odblokovať, ale nemožno ho uzamknúť.

Tyristor, podobne ako výkonný tranzistor s efektom poľa, môže samozrejme prepínať významné prúdy. A na rozdiel od tranzistorov s poľným efektom sa tyristorové spínané výkony môžu merať v megawattoch pri vysokých prevádzkových napätiach. Tyristory majú však jednu vážnu nevýhodu - významný čas vypnutia.

Aby sa tyristor uzamkol, je potrebné prerušiť alebo výrazne znížiť jeho jednosmerný prúd na dostatočne dlhú dobu, počas ktorej by nenosné nosiče hlavného pracovného náboja, páry elektrónových otvorov, mali čas na rekombináciu alebo rozlíšenie. Pokiaľ nebude prerušený prúd, tyristor zostane vo vodivom stave, to znamená, že sa bude naďalej správať ako dióda.

Spínané obvody s striedavým prúdom striedavého prúdu poskytujú tyristorom vhodný prevádzkový režim - sínusové napätie ovplyvňuje prechod v opačnom smere a tyristor sa automaticky zablokuje. Aby sa však udržala činnosť zariadenia, je potrebné na regulačnú elektródu v každom pol cykle aplikovať odblokovací riadiaci impulz.

V obvodoch s jednosmerným prúdom sa uchytávajú k prídavným pomocným obvodom, ktorých funkciou je násilné zníženie anódového prúdu tyristora a jeho vrátenie do zablokovaného stavu. A keďže sa nosiče náboja pri uzamknutí kombinujú, rýchlosť prepínania tyristorov je oveľa nižšia ako rýchlosť výkonného tranzistora s efektom poľa.

Ak porovnáme čas úplného uzavretia tyristora s časom úplného uzavretia tranzistora s poľným účinkom, rozdiel dosiahne tisícky krát: tranzistor s poľným efektom potrebuje na uzatvorenie niekoľko nanosekúnd (10 - 100 ns) a tyristor vyžaduje niekoľko mikrosekúnd (10 - 100 μs). Cítite rozdiel.

Samozrejme existujú oblasti aplikácie tyristorov, kde tranzistory s poľným účinkom nevydržia konkurenciu s nimi. Pre tyristory neexistujú prakticky žiadne obmedzenia maximálneho povoleného spínaného výkonu - to je ich výhoda.

Tyristory riadia megawatty energie vo veľkých elektrárňach, v priemyselných zváracích strojoch prepínajú prúdy stoviek ampérov a tiež tradične regulujú indukčné pece megawattov v oceliarňach. Tranzistory s poľným efektom tu nie sú použiteľné. V pulzných meničoch stredného výkonu zvíťazia tranzistory s efektom poľa.

Dlhodobé vypnutie tyristora, ako je uvedené vyššie, sa vysvetľuje skutočnosťou, že keď je zapnuté, vyžaduje odstránenie kolektorového napätia a podobne ako bipolárny tranzistor vyžaduje tyristor konečný čas na rekombináciu alebo odstránenie menšinových nosičov.

Problémy, ktoré spôsobujú tyristory v súvislosti s touto zvláštnosťou, súvisia predovšetkým s neschopnosťou prepínať pri vysokých rýchlostiach, ako to dokážu tranzistory s poľným efektom.A ešte predtým, ako sa na tyristor privedie kolektorové napätie, musí sa tyristor uzavrieť, inak bude nevyhnutné prepnúť straty energie, polovodič sa prehrieva.

Inými slovami, limitujúce dU / dt obmedzujú výkon. Tento problém ilustruje graf rozptylu energie ako funkcia prúdu a času. Vysoká teplota vo vnútri tyristorového kryštálu môže spôsobiť nielen falošný poplach, ale tiež narušiť spínanie.

V rezonančných invertoroch na tyristoroch je problém blokovania vyriešený sám o sebe, kde nárast reverznej polarity vedie k zablokovaniu tyristora, ak je expozícia pomerne dlhá.

Toto odhaľuje hlavnú výhodu tranzistorov s poľným efektom oproti tyristorom. Tranzistory s poľným efektom sú schopné pracovať pri frekvenciách stoviek kilometrov a kontrola dnes nie je problémom.

Thyristors budú spoľahlivo pracovať na frekvenciách do 40 kilohertz, bližšie k 20 kilohertz. To znamená, že ak by sa tyristory používali v moderných invertoroch, potom by boli zariadenia s dostatočne vysokým výkonom, povedzme, 5 kilowattov, veľmi ťažkopádne.

V tomto zmysle tranzistory s efektom poľa robia meniče kompaktnejšími v dôsledku menšej veľkosti a hmotnosti jadier výkonových transformátorov a tlmiviek.

Čím vyššia je frekvencia, tým menšia je veľkosť transformátorov a tlmiviek potrebných na konverziu rovnakého výkonu, je známa každému, kto pozná obvody moderných impulzných prevodníkov.

V niektorých aplikáciách sú, samozrejme, veľmi užitočné napríklad tyristory stmievače na úpravu jasu svetlapracujúc pri frekvencii siete 50 Hz, v každom prípade je výhodnejšie vyrábať na tyristoroch, sú lacnejšie, ako keby sa tam používali tranzistory s poľným efektom.

A v zváracie invertoryNapríklad je výhodnejšie použiť tranzistory s efektom poľa, a to práve kvôli ľahkosti ovládania spínania a vysokej rýchlosti tohto prepínania. Mimochodom, pri prepínaní z tyristora na tranzistorový obvod, napriek jeho vysokým nákladom, sú zo zariadení vylúčené zbytočné drahé komponenty.