Tyrystor i triak - podstawy dzia³ania (cz.1)

Transkrypt

1 Tyrystor i triak - odstawy dzia³aia (cz.1) Bogus³aw rubski Tyrystory i triaki stosowae by³y w odbiorikach telewizyjych kostruowaych kilkaaœcie lat temu. Tyrystory wystêowa³y w uk³adach zasilaia i odchylaia oziomego. Triaki stosowao zamiast rzekaÿików w zasilaczach odbiorików ze zdalym sterowaiem. Obecie elemety te stosowae s¹ w uk³adach automatyki w srzêcie owszechego u ytku. Warto rzyomieæ sobie zasady ich dzia³aia. Wstê Do rodziy tyrystorów zalicza siê wielowarstwowe elemety ó³rzewodikowe, które rzezaczoe s¹ do racy jako rze- ³¹cziki. Przejœcie z jedego stabilego stau ierzewodzeia do drugiego stabilego stau rzewodzeia, astêuje w ich szybko dziêki wewêtrzemu dzia³aiu rze³¹czaj¹cemu o charakterze regeeracyjym. W zale oœci od iloœci arzemieie u³o oych warstw ó³rzewodika tyu i oraz od iloœci i sosobu do³¹czeia wyrowadzeñ otrzymuje siê elemety o ró ych w³aœciwoœciach. Rodzia ta jest bardzo licza, zajmiemy siê wiêc jedyie jej ajoulariejszymi rzedstawicielami. eeralie elemety te mo a odzieliæ a dwie gruy: rzewodz¹ce r¹d w jedym kieruku jedokierukowe (tyrystor), rzewodz¹ce r¹d w dwóch kierukach dwukierukowe (triak, diak). Tyrystor (Silico Cotrolled Rectifier) Tyrystor (SCR) jest czterowarstwowym, trzykoñcówkowym rzyrz¹dem ó³rzewodikowym e³i¹cym rolê sterowaego (a raczej wyzwalaego) zaworu rzewodz¹cego r¹d w jedym kieruku. Jego dzia³aie ajleiej mo a wyjaœiæ os³uguj¹c siê jego aalogi¹ dwutrazystorow¹ (rys. 1d). W celu wyjaœieia dzia³aia rze³¹czaj¹cego tyrystora arysujmy oba trazystory tworz¹ce tyrystor tak, aby rzyomia³y rzerzutik. k³ad okazay a rys. 2a odowiada staowi wy³¹czeia tyrystora, czyli blokowaia rzewodzeia. W staie tym aiêcie AA olaryzuje w kieruku zaorowym z³¹cze blokuj¹ce trazystora. dyby aiêcie AA mia³o odwrot¹ olaryzacjê, to oba z³¹cza: katodowe i aodowe by³yby solaryzowae zaorowo, odczas gdy z³¹cze steruj¹ce by³oby solaryzowae w kieruku rzewodzeia. Taki sta osi azwê blokowaia wsteczego. Na rys. 3 okazao charakterystykê r¹dowo aiêciow¹ tyrystora. Zwróæmy jeszcze uwagê a obecoœæ rezystora R K. Staowi o drogê o ma³ej rezystacji omiêdzy bramk¹ a katod¹ rzewodz¹c wewêtrze r¹dy u³ywu i zewêtrze r¹dy zak³óceñ. Dziêki iemu zak³óceia omijaj¹ z³¹cze katodowe i ie owoduj¹ ieo ¹daego w³¹czeia tyrystora. Najoulariejsz¹ i ajrostsz¹ metod¹ w³¹czeia tyrystora jest solaryzowaie bramki aiêciem dodatim wzglêdem katody. W uk³adzie z rys. 2b aiêcie zostaje zwiêkszoe a) Aoda b) Aoda c) Aoda d) Aoda E J1 B J2 C J3 C B E Rys.1. Symbol i schemat kostrukcyjy tyrystora. i s¹ asycoe TN TP ~0,2 wy³ wy³ > T ~0,6 ~0,6 K A I AK=0 R K R K R R K ~0,2 T~0.8 AA AA AA Rys.2. Tyrystor jako rzerzutik. SERWIS

2 Naiêcie wstecze obszar rzebicia lawiowego rzewodzeia charakterystyka wstecza wsteczy sta w³¹czeia I >0 I =0 sta wy³¹czeia (BO) Naiêcie rzewodzeia Rys.3. Charakterystyka r¹dowo aiêciowa tyrystora. do wartoœci, rzy której aiêcie bramki osi¹ga wartoœæ wystarczaj¹c¹ do zaocz¹tkowaia rze³¹czaia. Naiêcie to azywa siê aiêciem rze³¹czaj¹cym bramki T, a jego wartoœæ jest rzêdu 0.6 (wartoœæ wystarczaj¹ca do solaryzowaia krzemowego z³¹cza - w kieruku rzewodzeia). dy aiêcie osi¹gie wartoœæ aiêcia rze³¹czaj¹cego bramki, zaczya ³y¹æ r¹d bazy trazystora, który o wzmocieiu, jako r¹d kolektora steruje bazê trazystora. kolektora trazystora (wzmocioy r¹d bazy) steruje zowu bazê trazystora. Trazystory obudzaj¹c siê wzajemie rzechodz¹ szybko do stau asyceia. aody I A osi¹ga wartoœæ okreœlo¹ rzez rezystacjê i aiêcie AA (rys. 2c). Naiêcie omiêdzy aod¹ i katod¹ tyrystora w staie w³¹czeia osi azwê aiêcia rzewodzeia T, a jego wartoœæ wyosi ok. 1. Tyrystor ozostaie w staie w³¹czeia rówie o od³¹czeiu Ÿród³a aiêcia. Tyrystor mo e zostaæ w³¹czoy imulsem r¹du bramki. Wy³¹czeie tyrystora mo e ast¹iæ jedyie rzez zmiejszeie r¹du aodowego oi ej wartoœci r¹du odtrzymaia (mo e to ast¹iæ rzez zmiejszeie aiêcia aodowego lub zwiêkszeie rezystacji ). te jest bowiem zbyt ma³y do utrzymaia obu trazystorów w staie asyceia. Orócz oisaej owy ej metody w³¹czaia tyrystora imulsem dorowadzoym do bramki istiej¹ cztery ie - a ogó³ ieo ¹dae - mo liwoœci rze³¹czeia tyrystora do stau w³¹czeia: 1. W³¹czeie rzez rzekroczeie owtarzalego, szczytowego aiêcia blokowaia. dyby w uk³adzie z rys. 2a aiêcie AA by³o zwiêkszae do wartoœci, rzy której aiêcie wstecze a z³¹czu steruj¹cym rzysiesza oœiki miejszoœciowe r¹du u³ywu do rêdkoœci wystarczaj¹cej do zjoizowaia atomów ó³rzewodika. Dodatkowe oœiki swobode o³y¹ rzez z³¹cze katodowe jako ma³y r¹d emitera trazystora. te jest wystarczaj¹cy do zaocz¹tkowaia rze³¹czaia regeeracyjego. Wartoœæ aiêcia AA, o rzekroczeiu której tyrystor rze³¹cza siê i ozostaje w stabilym staie w³¹czeia azywaa jest owtarzalym szczytowym aiêciem blokowaia DRM. 2. W³¹czeie od w³ywem szybkiego wzrostu aiêcia aodowego. dy aiêcie zasilaj¹ce tyrystora zostaie w³¹czoe rzy omocy szybkiego w³¹czika, to aiêcie miêdzy aod¹ i katod¹ mo e arastaæ bardzo szybko. Poiewa ka de z³¹cze - ma ojemoœæ, to do z³¹cza emiterowego mo e ³y¹æ r¹d ³adowaia i iicjowaæ fa³szywe w³¹czeie tyrystora. Aby temu zaobiec, omiêdzy aodê i katodê w³¹cza siê dwójik z³o oy z szeregowo o³¹czoych elemetów R i C. 3. W³¹czeie od w³ywem temeratury. y u³ywu wzrastaj¹ ze wzrostem temeratury, a sumaryczy r¹d oœików miejszoœciowych ³y¹cy rzez z³¹cze katodowe mo e zaocz¹tkowaæ rze³¹czaie regeeracyje. Rezystor R K boczikuj¹c czêœæ r¹du u³ywu rzeciwdzia³a fa³szywym w³¹czeiom. 4. W³¹czeie od w³ywem eergii romieiowaia. Promieiowaie o odowiedim widmie i eergii mo e zerwaæ wi¹zaia kowalecyje. W efekcie uwaliaj¹ siê oœiki r¹du, które mog¹ iicjowaæ roces w³¹czaia tyrystora. Zjawisko to wykorzystywae jest w secjalych tyrystorach z okiekiem fototyrystorach. Triak (TRIode for AC) Triak jest iêciowarstwowym, trzykoñcówkowym rzyrz¹dem ó³rzewodikowym e³i¹cym rolê wyzwalaego zaworu rzewodz¹cego r¹d rzemiey. Symbol graficzy i schemat kostrukcyjy triaka okazao a rys. 4. Miêdzy wyrowadzeiami i r¹d mo e ³y¹æ w dwóch kierukach. Wyrowadzeie jest wyrowadzeiem odiesieia, wzglêdem iego mierzy siê wszystkie aiêcia. Wyrowadzeie o³¹czoe jest z ³ytk¹ do mocowaia radiatora. jest wyrowadzeiem steruj¹cym. dy miêdzy wyrowadzeie a bramkê dorowadzoe zostaie aiêcie (dodatie lub ujeme) o odowiediej wartoœci wówczas omiêdzy wyrowadzeiami i o³yie r¹d o kieruku i wartoœci okreœloych rzez obwód zewêtrzy. Przewodzeie triaka trwa iezale ie od aiêcia a bramce, doóki r¹d ³y¹cy rzez i ie zostaie zmiejszoy rzez uk³ad zewêtrzy oi ej wartoœci r¹du odtrzymaia a) b) c) Rys.4. Triak symbol graficzy i schemat kostrukcyjy. SERWIS

3 IIIa) I+ b) + R I I 1 1 c) III+ d) + R Rys.5. Rodzaje racy triaka. Na rys. 5 okazao wszystkie mo liwe sytuacje rze³ywu r¹dów w triaku. Na rys. 5 a i b zilustrowao rzewodzeie dodatie rzez rówowa y tyrystor dodati Na rys. 5 c i d triak wykazuje rzewodzeie ujeme rzez rówowa y tyrystor Narysowaie charakterystyki r¹dowo aiêciowej obszaru - da³oby krzyw¹ le ¹c¹ w ierwszej æwiartce uk³adu wsó³rzêdych (rys. 6), st¹d ozaczeie: rodzaj I. W rzyadku rzewodzeia ujemego kieruek r¹du i aiêcia miêdzy wyrowadzeiami - jest odwrócoy, a charakterystyka r¹dowo aiêciowa rzebiega w trzeciej æwiartce, st¹d ozaczeie: rodzaj III. - R + R I I I- DIAK (DIode for AC) Diak (DIAC), zway rówie dwukierukow¹ diod¹ sustow¹ jest trzywarstwowym, dwukoñcówkowym rzyrz¹dem ó³rzewodikowym rzezaczoym do rze³¹czaia triaków. Na rys. 7 okazao symbol graficzy i charakterystykê r¹dowo aiêciow¹ diaka. Zwiêkszaie aiêcia a diaku do chwili osi¹giêcia aiêcia rzerzutu ie wywiera adego efektu z wyj¹tkiem rze Przewodzeie w dwóch kierukach staowi rzewagê triaka ad tyrystorem. Triak mo e byæ w³¹czoy rzez dorowadzeie do bramki imulsu dodatiego lub ujemego. Na rys. 5 a i c otecja³ bramki wzglêdem wyrowadzeia jest dodati i z³¹cze 1-1 solaryzowae jest w kieruku rzewodzeia. Prze³¹czaie rzebiega tak jak w rzyadku tyrystora. Oba uk³ady z rze³¹czaiem imulsem dodatim a bramce ozaczae s¹ zakiem + umieszczoym za symbolem rodzaju racy (I+ lub III+). Na rys. 5 b i d otecja³ bramki wzglêdem wyrowadzeia jest ujemy, a rodzaje racy ozaczae s¹ symbolami I- i III-. W rzyadku rzewodzeia ujemego wymagay dodati r¹d bramki dla rodzaju racy III+ jest du o wiêkszy i dla ozosta³ych rodzajów. Rodzaj te ie jest zalecay. Czu- ³oœæ rze³¹czaia jest ajwiêksza w rodzajach I+ i III-, a ieco miejsza w rodzaju I-. dy dostêe jest aiêcie rze³¹czaj¹ce tylko o jedej olaryzacji, zalecae jest stosowaie rodzajów I- i III-. Przerzutikowe elemety ó³rzewodikowe stosowae w uk³adach wyzwalaia tyrystorów lub triaków Przerzutikowe elemety ó³rzewodikowe stosowae w uk³adach wyzwalaia tyrystorów lub triaków tworz¹ licz¹ rodziê. Nasz wybór ograiczymy jedyie do tych elemetów, które z du ym rawdoodobieñstwem mo emy sotkaæ w swojej raktyce serwisowej. rzewodzeia sta w³¹czeia rzewodzeia Naiêcie wstecze (BO) sta wy³¹czeia I >0 I =0 Naiêcie rzewodzeia Naiêcie wstecze (BO) (O) I(BO) Naiêcie rzewodzeia I =0 I >0 sta wy³¹czeia (BO) I(BO) (O) (BO) sta w³¹czeia wsteczy wsteczy Rys.6. Charakterystyki r¹dowo aiêciowe triaka. Rys.7. Charakterystyka r¹dowo aiêciowa diaka. SERWIS

4 ³ywu iewielkiego r¹du u³ywu. Taka sytuacja trwa do czasu gdy aiêcie a diaku osi¹gie wartoœæ aiêcia rzerzutu (BO). Wówczas aiêcie a diodzie gwa³towie maleje i r¹d diody wzrasta. Obserwujemy wiêc charakterystykê o ujemej rezystacji. Zmiaa aiêcia, która zachodzi bezoœredio o wyst¹ieiu aiêcia rzerzutu (BO) zale y od uk³adu i jest okreœloa rzy r¹dzie diaka o wartoœci 10mA. W trzeciej æwiartce charakterystyka r¹dowo aiêciowa jest odoba lecz z ewymi toleracjami wartoœci (BO) i. Trazystor jedoz³¹czowy (ijuctio Trasistor) Trazystor jedoz³¹czowy (JT) owstaje rzez dyfuzjê materia³u ó³rzewodika tyu do rêta z materia³u tyu. Miejsce dyfuzji zajduje siê a ok. 2/3 d³ugoœci rêta omiêdzy wyrowadzeiami baz: B1 i B2 (rys. 8). a) b) B2 c) B1 Rys.8. Trazystor jedoz³¹czowy: a) symbol graficzy, b) struktura, c) uk³ad omiarowy. dy aiêcie a emiterze rzekroczy wartoœæ aiêcia rze- ³¹czaj¹cego, dioda emiterowa rzewodzi i astêuje wstrzykiwaie dziur do obszaru r B1. Obszar te jedoczeœie rzechwytuje elektroy z wyrowadzeia B1. Wskutek wzrostu wolych oœików r¹du maleje rezystacja r B1. Nastêuje wzrost r¹du emitera, a wiêc wstrzykiwae s¹ dodatkowe dziury co rowadzi do dalszego zmiejszaia rezystacji r B1. Nastêuje wiêc roces regeeracyjy. Przeaalizujmy obwód emitera (rys. 8c). Naiêcie EE dzieli siê miêdzy R E a r B1. Poiewa r¹d emitera roœie, to zwiêksza siê rówie sadek aiêcia a R E, a wiêc aiêcie a r B1 musi zmaleæ aby se³ioe by³o II rawo Kirchhoffa w obwodzie emitera. Mamy wiêc sytuacjê zmiejszeia aiêcia emitera rzy wzroœcie r¹du emitera. Obserwoway sadek rezystacji r B1 okreœla siê miaem ujemej rezystacji. Zmiejszaie siê rezystacji r B1 astêuje do mometu wyst¹ieia asyceia. Tyowe wartoœci r sat zawieraj¹ siê w graicach 5-25Ω. B2 r B2 E R E 2k E EE I E EB r B1 B1 EE 10 Rys.9. Charakterystyka I E =f( EB ) trazystora jedoz³¹czowego. Na rys. 9 okazao charakterystykê I E =f( EB ) trazystora jedoz³¹czowego. Zakres aiêæ od 0 do uktu P. odowiada stabilemu staowi wy³¹czeia. Natomiast stabilemu staowi w³¹czeia odowiada zakres od uktu doliy do uktu S. Do zaiicjowaia regeeracyjego dzia³aia rze- ³¹czaj¹cego w ukcie P wymagay jest rze³yw ewego miimalego r¹du I P (ty µA). Miêdzy uktem rze³¹czaia P a uktem doliy rozci¹ga siê zakres stau iestabilego (ujemej rezystacji). W daych katalogowych ukt charakteryzoway jest za omoc¹ r¹du doliy I (ty. 1-10mA). Naiêcie doliy ie jest odawae w katalogach, oiewa zale y oo od uk³adu (a ogó³ wyosi 1-3). Trazystor jedoz³¹czowy wykorzystyway jest ajczêœciej w uk³adach geeratorów relaksacyjych, geeratorów aiêcia i³okszta³tego i uk³adach Ÿróde³ r¹dowych. Programowaly trazystor jedoz³¹czowy (Programmable ijuctio Trasistor) Programowaly trazystor jedoz³¹czowy (PT), mimo odobieñstwa azwy, ie jest rzyrz¹dem ó³rzewodikowym z jedym z³¹czem, lecz tyrystorem triodowym utworzoym z czterech u³o oych arzemieie warstw materia³u ó³rzewodika tyu i tyu (rys. 10). Charakterystyka I A =f( A ) tego rzyrzadu jest odoba do charakterystyki I E =f( E ) trazystora jedoz³¹czowego. ³ów¹ zalet¹ rogramowalego trazystora jedoz³¹czowego jest mo liwoœæ ustawiaia (rogramowaia), rzy omocy dzielika, aiêcia rze³¹czaj¹cego. A A A I =2mA I E K K K Rys.10. Programowaly trazystor jedoz³¹czowy: a) symbol graficzy, b) struktura, c) schemat zastêczy. A Z=6,8 S zakres ujemej rezystacji P =1,5 P=7,5 EB K Rys.11. Krzemowy rze³¹czik jedostroy: a) symbol graficzy, b) schemat ideowy, c) charakterystyka r¹dowo aiêciowa. I A P=7,4 AK SERWIS

5 a) b) Krzemowy rze³¹czik jedostroy (Silico ilateral Switch) Krzemowy rze³¹czik jedostroy (SS) jest uk³adem scaloym o schemacie okazaym a rys. 11. Przyrz¹d w³¹czy siê, gdy aiêcie aody bêdzie wiêksze i aiêcie P = Z + BEP. SS mo e byæ u yway jako rzyrz¹d dwukoñcówkowy (A-K), którego aiêcie w³¹czeia wyosi ok Mo a uzyskiwaæ i sze aiêcia w³¹czeia orzez do³¹czaie do bramki B diod Zeera o aiêciu miejszym i aiêcie diody wbudowaej (6.8). Zamiast diody Zeera mo a zastosowaæ odowiedi dzielik aiêcia. Krzemowy rze³¹czik dwustroy (Silico Bilateral Switch) Krzemowy rze³¹czik dwustroy (SBS) zawiera dwa o³¹czoe atyrówolegle krzemowe rze³¹cziki jedostroe (SS). Przyrz¹d mo e wiêc rzewodziæ w dwóch kierukach. Charakterystyka r¹dowo aiêciowa dla obu kieruków rze³ywu r¹du jest symetrycza (rys. 12c). Naiêcie rze³¹czaj¹ce mo e byæ zmiejszoe rzez do³¹czeie diod Zeera o ma³ym aiêciu (miejszym i 6.8) miêdzy bramkê a aodê. Przez dodaie szeregowo z SBS diody Zeera otrzymuje siê iesymetryczy krzemowy rze³¹czik dwustroy (Asymetrical Silico Bilateral Switch). Dioda Shockley a Dioda Shockley a jest dwukoñcówkowym, czterowarstwowym (---) rzyrz¹dem rze³¹czaj¹cym o charakterystyce r¹dowo - aiêciowej odobej do owy ej omówioych. Tyowe aiêcie rze³¹czaj¹ce BR =10, a aiêcie rzewodzeia F =1. Dioda tuelowa Dioda tuelowa jest diod¹ - tak silie domieszkowa¹, e jej z³¹cze bez aiêcia dorowadzoego z zew¹trz zajduje siê w staie rzebicia w kieruku zaorowym. Przy³o oe aiêcie o wartoœci ok. 0.4 w kieruku rzewodzeia likwiduje wewêtrze rzebicie sowodowae domieszkowaiem i owoduje, e dioda zaczya dzia³aæ jak zwyk³a dioda z³¹czowa. Podczas likwidacji rzebicia obserwuje siê efekt rezystacji ujemej (rys. 13). a) b) I =0,9mA P I =0,1mA A2 A2 A1 A1 Rys.12. Krzemowy rze³¹czik dwustroy: a) symbol graficzy, b) schemat ideowy, c) charakterystyka r¹dowo - aiêciowa. I F P=60m =0,38 A2-A1 Rys.13. Dioda tuelowa: a) symbol graficzy, b) rzyk³adowa charakterystyka r¹dowo - aiêciowa. c) P2 =-7,4 I A P1 =7,4 W kieruku zaorowym dioda tuelowa zachowuje siê jak zwyk³a dioda z³¹czowa. Zaczie czêœciej dioda tuelowa zajduje zastosowaie jako szybki rze³¹czik w uk³adach cyfrowych i w uk³adach geeratorów w.cz. i w uk³adach wyzwalaia tyrystorów. Na tym koñczymy krótki rzegl¹d zaworów ó³rzewodikowych i elemetów do ich sterowaia. W astêej czêœci odamy jak iterretowaæ odawae w katalogach arametry tyrystorów i triaków oraz zamieœcimy dae katalogowe wybraych tyów. } SERWIS