Proč moderní střídače používají tranzistory, nikoli tyristory

Tyristory patří k polovodičovým zařízením struktury p-n-p-n a ve skutečnosti patří do speciální třídy bipolární tranzistory, čtyřvrstvá, tři (nebo více) přechodových zařízení se střídavou vodivostí.

Tyristorové zařízení mu umožňuje pracovat jako dioda, to znamená, že prochází proud pouze jedním směrem.

A také jako tranzistor s efektem pole, tyristor existuje kontrolní elektroda. Navíc, jako dioda, má tyristor zvláštnost - bez vstřikování menšinových nosičů pracovních nábojů přes řídicí elektrodu se neprojde do vodivého stavu, to znamená, že se neotevře.

Zjednodušený model tyristoru nám umožňuje pochopit, že řídicí elektroda je zde podobná základně bipolárního tranzistoru, existuje však omezení, že je možné tyristor pomocí této základny odemknout, ale nelze jej uzamknout.

Tyristor, stejně jako výkonný tranzistor s efektem pole, může samozřejmě přepínat významné proudy. A na rozdíl od tranzistorů s efektem pole lze tyristorem přepínané výkony měřit v megawattech při vysokých provozních napětích. Tyristoři však mají jednu vážnou nevýhodu - významný čas vypnutí.

Aby bylo možné tyristor uzamknout, je nutné přerušit nebo významně snížit jeho stejnosměrný proud na dostatečně dlouhou dobu, během níž by nenosné nosiče hlavních pracovních nábojů, páry elektronových děr, měly čas na rekombinování nebo vyřešení. Dokud nebude proud přerušen, zůstane tyristor ve vodivém stavu, tj. Bude se nadále chovat jako dioda.

Spínané obvody střídavého sinusového proudu poskytují tyristorům vhodný provozní režim - sinusové napětí předpíná přechod v opačném směru a tyristor se automaticky zablokuje. Aby se však udržel provoz zařízení, je nutné aplikovat odblokovací regulační impuls na regulační elektrodu v každém půl cyklu.

V obvodech se stejnosměrným výkonem se uchylují k dalším pomocným obvodům, jejichž funkcí je násilné snížení anodového proudu tyristoru a návrat do zablokovaného stavu. A protože se nosiče náboje při uzamčení kombinují, je rychlost přepínání tyristorů mnohem nižší než u výkonného tranzistoru s efektem pole.

Porovnáme-li dobu úplného uzavření tyristoru s dobou úplného uzavření tranzistoru s polním efektem, rozdíl dosáhne tisícekrát: tranzistor s polním efektem potřebuje několik nanosekund (10-100 ns) k uzavření a tyristor vyžaduje několik mikrosekund (10-100 μs). Cítit rozdíl.

Samozřejmě existují oblasti použití tyristorů, kde tranzistory s polním efektem s nimi nevydrží konkurenci. Pro tyristory neexistují prakticky žádná omezení na maximální přípustný spínaný výkon - to je jejich výhoda.

Tyristory řídí megawatty energie ve velkých elektrárnách, v průmyslových svářecích strojích přepínají proudy stovek ampér a tradičně také řídí indukční pece megawattů v ocelárnách. Tranzistory s polním efektem zde nejsou použitelné. U pulzních převodníků střední síly zvítězí tranzistory s efektem pole.

Dlouhé vypnutí tyristoru, jak je uvedeno výše, je vysvětleno skutečností, že když je zapnutý, vyžaduje odstranění kolektorového napětí a jako bipolární tranzistor vyžaduje tyristor konečný čas, aby mohl rekombinovat nebo odstranit minoritní nosiče.

Problémy, které způsobují tyristory v souvislosti s touto zvláštností, jsou spojeny především s neschopností přepínat vysokými rychlostmi, jak to dokážou tranzistory pole.A ještě předtím, než je na tyristor přivedeno napětí kolektoru, musí být tyristor uzavřen, protože jinak jsou nevyhnutelné spínací ztráty energie, polovodič se přehřeje.

Jinými slovy, limitující dU / dt omezuje výkon. Tento problém ilustruje graf rozptylu energie jako funkce proudu a času. Vysoká teplota uvnitř tyristorového krystalu může způsobit nejen falešný poplach, ale také narušit spínání.

U rezonančních měničů na tyristorech je problém se zamykáním vyřešen sám o sobě, kde nárůst reverzní polarity vede k zablokování tyristoru za předpokladu, že expozice je poměrně dlouhá.

Toto odhaluje hlavní výhodu tranzistorů s efektem pole oproti tyristorům. Tranzistory s polním efektem jsou schopné pracovat při frekvencích stovek kilohertů a kontrola dnes není problém.

Thyristors budou spolehlivě pracovat na frekvencích až 40 kilohertz, blíže k 20 kilohertz. To znamená, že pokud by se v moderních střídačích použily tyristory, byla by zařízení s dostatečně velkým výkonem, řekněme 5 kilowattů, velmi těžkopádná.

V tomto smyslu dělají tranzistory s efektem pole kompaktnější měniče kvůli menší velikosti a hmotnosti jader výkonových transformátorů a tlumivek.

Čím vyšší je frekvence, tím menší je velikost transformátorů a tlumivek potřebných k převodu stejného výkonu, je známo každému, kdo je obeznámen s obvody moderních impulsních převodníků.

V některých aplikacích jsou samozřejmě například velmi užitečné tyristory stmívače pro nastavení jasu světlapracující na síťové frekvenci 50 Hz, v každém případě je výhodnější vyrábět na tyristory, jsou levnější, než kdyby tam byly použity tranzistory s polním efektem.

A v svařovací střídačenapříklad je výhodnější používat tranzistory s efektem pole, právě kvůli snadnosti ovládání přepínání a vysoké rychlosti tohoto přepínání. Mimochodem, při přepínání z tyristoru na tranzistorový obvod, navzdory jeho vysokým nákladům, jsou ze zařízení vyloučeny zbytečné drahé komponenty.