ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 4. Vícevrstvé spínací součástky

1. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY4. Vícevrstvé spínací součástky Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

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

3. A P1 J1 N1 J2 G P2 J3 N2 K Tyristor PNPNřízený do katody • Struktura • 4 polovodičové vrstvy: • P1, N1, P2, N2 • 3 P-N přechody: • J1, J2, J3

4. Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru a) Hradlo bez předpětí – blokovací stav • 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 UAK = + 15 V A In0 P1 J1 N1 J2 G P2 J3 N2 Ip0 K 0 V

5. UAK = + 25 V A In0 P1 J1 N1 Ip1 J2 In1 G J3 N2 Ip0 K 0 V Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru b) Hradlo bez předpětí – průraz • 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.

6. UAK = + 1 V A In1 P1 J1 N1 J2 G J3 N2 Ip1 K 0 V Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru c) Hradlo bez předpětí – sepnutý stav • 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

7. UAK = + 10 V A In0 P1 In1 J1 N1 J2 G IpG UGK =0,8 V InG J3 Ip0 In N2 K 0 V Funkce tyristoru Tyristor polarizovaný do předního směru c) Hradlo předepnuto – spínání • 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

8. UAK = + 1 V A In1 P1 J1 N1 J2 G J3 Ip1 N2 K 0 V 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

9. UAK = - 15 V A In01 In02 P1 J1 N1 J2 G J3 N2 Ip01 Ip02 K 0 V 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)

10. A A UAK = 15 V P1 T2 PNP N1 N1 UGK P2 P2 G N2 NPN T1 K G K Funkce tyristoru 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.

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

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

13. Typické parametry tyristorů PARAMETR OZNAČENÍ HODNOTY Střední proud v propust. směru IF100 mA – 10 A Neopakovatelnýšpičkový 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

14. 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

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

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

17. iT A1 Sepnutý stav G uT A2 Blokovací stav TriakCharakteristiky a značka Schematická značka Charakteristika

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

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