Türistorid: tööpõhimõte, disain, tüübid ja kaasamismeetodid

Türistori tööpõhimõte

Türistor on jõuelektrooniline, mitte täielikult juhitav lüliti. Seetõttu nimetatakse seda mõnikord tehnilises kirjanduses ühe tööga türistoriks, mida saab juhtivasse olekusse lülitada ainult juhtsignaali abil, st seda saab sisse lülitada. Selle väljalülitamiseks (alalisvoolu töös) tuleb võtta erimeetmeid, et alalisvool langeks nullini.

Türistorlüliti suudab voolu juhtida ainult ühes suunas ning suletud olekus talub nii päri- kui ka vastupidist pinget.

Türistoril on neljakihiline p-n-p-n struktuur kolme juhtmega: anood (A), katood (C) ja värav (G), mis on näidatud joonisel fig. 1

Riis. 1. Tavaline türistor: a) — tavaline graafiline tähistus; b) — volt-ampri karakteristik.

Joonisel fig. 1b on kujutatud staatiliste I-V karakteristikute perekonda juhtvoolu iG erinevatel väärtustel. Piiraval päripingel, mida türistor suudab vastu pidada ilma seda sisse lülitamata, on maksimaalsed väärtused iG = 0.Voolu kasvades vähendab iG pinget, mida türistor talub. Türistori sees olek vastab harule II, väljalülitatud olek vastab harule I ja lülitusprotsess vastab harule III. Hoidevool või hoidevool on võrdne minimaalse lubatud pärivooluga iA, mille juures türistor jääb juhtivaks. See väärtus vastab ka sisselülitatud türistori päripinge languse minimaalsele võimalikule väärtusele.

Haru IV tähistab lekkevoolu sõltuvust pöördpingest. Kui vastupidine pinge ületab UBO väärtuse, algab türistori rikkega seotud pöördvoolu järsk tõus. Rikke olemus võib vastata pöördumatule protsessile või laviini purunemisprotsessile, mis on omane pooljuht-zeneri dioodi toimimisele.

Türistorid on kõige võimsamad elektroonilised lülitid, mis on võimelised lülitama vooluahelaid pingega kuni 5 kV ja voolutugevusega kuni 5 kA sagedusega mitte üle 1 kHz.

Türistorite konstruktsioon on näidatud joonisel fig. 2.

Riis. 2. Türistori karpide konstruktsioon: a) — tahvelarvuti; b) - tihvt

DC türistor

Tavaline türistor lülitatakse sisse, rakendades juhtahelale katoodi suhtes positiivse polaarsusega vooluimpulsi. Sisselülitamise ajal toimuva siirde kestust mõjutavad oluliselt koormuse iseloom (aktiivne, induktiivne jne), juhtvoolu impulsi iG amplituud ja tõusukiirus, türistori pooljuhtstruktuuri temperatuur, rakendatav pinge ja koormusvool.Türistori sisaldavas vooluringis ei tohiks olla päripinge duAC / dt tõusukiiruse vastuvõetamatuid väärtusi, kus juhtsignaali iG puudumisel võib toimuda türistori spontaanne aktiveerimine. tõus praegusest diA / dt-st. Samal ajal peab juhtsignaali kalle olema suur.

Türistorite väljalülitamise viiside hulgas on tavaks eristada loomulikku väljalülitamist (või loomulikku lülitust) ja sunnitud (või kunstlikku lülitamist). Loomulik kommutatsioon toimub siis, kui türistorid töötavad vahelduvahelates hetkel, mil vool langeb nullini.

Sundlülitamise meetodid on väga mitmekesised, neist tüüpilisemad on järgmised: eellaetud kondensaatori C ühendamine lülitiga S (joonis 3, a); LC-ahela ühendamine eellaetud kondensaatoriga CK (joonis 3 b); siirdeprotsessi võnkuvuse kasutamine koormusahelas (joonis 3, c).

Riis. 3. Türistorite kunstliku lülitamise meetodid: a) — laetud kondensaatori C abil; b) — LC-ahela võnkelahenduse abil; c) — koormuse kõikuva iseloomu tõttu

Lülitades vastavalt joonisel fig. 3 ja vastupidise polaarsusega lülituskondensaatori ühendamine, näiteks teise abitüristoriga, tühjendab selle juhtivale peatüristorile. Kuna kondensaatori tühjendusvool on suunatud türistori pärivoolu vastu, väheneb viimane nullini ja türistor lülitub välja.

Joonisel fig. 3, b, LC-ahela ühendamine põhjustab lülituskondensaatori CK võnkuva tühjenemise.Sel juhul liigub türistori alguses türistori kaudu selle pärivoolu vastassuunaline tühjendusvool, kui need muutuvad võrdseks, lülitub türistor välja. Lisaks läheb LC-ahela vool türistorilt VS dioodile VD. Kui kontuurivool liigub läbi dioodi VD, rakendatakse türistorile VS pöördpinge, mis on võrdne avatud dioodi pingelangusega.

Joonisel fig. Nagu on näidatud joonisel 3, põhjustab türistori VS ühendamine keerulise RLC-koormusega üleminekut. Koormuse teatud parameetrite korral võib sellel protsessil olla võnkuv iseloom koos koormusvoolu polaarsuse muutumisega. Sel juhul lülitub pärast türistori VS väljalülitamist sisse diood VD, mis hakkab juhtima voolu vastupidine polaarsus. Mõnikord nimetatakse seda lülitusmeetodit kvaasi-looduslikuks, kuna see hõlmab koormusvoolu polaarsuse muutumist.

Vahelduvvoolu türistor

Kui türistor on vahelduvvooluahelaga ühendatud, on võimalikud järgmised toimingud:

• elektriahela sisse- ja väljalülitamine aktiivse ja aktiiv-reaktiivkoormusega;

• keskmiste ja efektiivsete vooluväärtuste muutus koormuse kaudu, kuna on võimalik reguleerida juhtsignaali ajastust.

Kuna türistorlüliti on võimeline juhtima elektrivoolu ainult ühes suunas, siis vahelduvvoolutüristoride kasutamisel kasutatakse nende paralleelühendust (joon. 4, a).

Riis. 4. Türistorite (a) paralleelühendus ja voolu kuju aktiivse koormusega (b)

Keskmine ja efektiivne vool varieeruda tulenevalt türistoritele VS1 ja VS2 avamissignaalide rakendamise aja muutumisest, st. muutes nurka ja (joon. 4, b).Selle nurga väärtusi türistorite VS1 ja VS2 jaoks reguleerimise ajal muudab juhtsüsteem samaaegselt. Nurka nimetatakse türistori juhtimisnurgaks või süütenurgaks.

Jõuelektroonika seadmetes on enim kasutatud faasi (joon. 4, a, b) ja türistori juhtimist impulsi laiusega (joonis 4, c).

Riis. 5. Koormuspinge tüüp: a) — türistori faasijuhtimine; b) — sundkommutatsiooniga türistori faasijuhtimine; c) — impulsi laiuse türistori juhtimine

Sundkommutatsiooniga türistori juhtimise faasimeetodil on koormusvoolu reguleerimine võimalik nii nurga ? kui ka nurga ? muutmise teel... Kunstlik lülitamine toimub spetsiaalsete sõlmede abil või täielikult juhitavate (lukustuvate) türistorite abil.

Impulsilaiuse juhtimisega (impulsi laiuse modulatsioon — PWM) Totkri ajal antakse türistoritele juhtsignaal, need on avatud ja koormusele rakendatakse pinget Un. Tacri ajal puudub juhtsignaal ja türistorid on mittejuhtivas olekus. Koormuse voolu efektiivväärtus

kus In.m. — koormusvool Tcl = 0.

Türistoride faasijuhtimisega koormuse voolukõver on mittesinusoidne, mis põhjustab toitevõrgu pinge kuju moonutusi ja häireid kõrgsageduslike häirete suhtes tundlike tarbijate töös - tekib nn. Elektromagnetiline kokkusobimatus.

Lukustustüristorid

Türistorid on kõige võimsamad elektroonilised lülitid, mida kasutatakse kõrgepinge, kõrge voolu (kõrge voolu) ahelate lülitamiseks.Neil on aga märkimisväärne puudus — ebatäielik juhitavus, mis väljendub selles, et nende väljalülitamiseks on vaja luua tingimused pärivoolu vähendamiseks nullini. See piirab ja raskendab paljudel juhtudel türistorite kasutamist.

Selle puuduse kõrvaldamiseks on välja töötatud türistorid, mis lukustatakse juhtelektroodilt G tuleva signaaliga. Selliseid türistoreid nimetatakse gate-off türistoriteks (GTO) ehk dual-operation.

Lukustustüristoritel (ZT) on neljakihiline p-p-p-p struktuur, kuid samal ajal on neil mitmeid olulisi konstruktsiooniomadusi, mis annavad neile traditsioonilistest türistoritest täiesti erineva - täieliku juhitavuse. Väljalülitatud türistorite staatiline I-V karakteristik ettepoole on identne tavaliste türistorite I-V karakteristikuga. Lukustustüristor ei suuda aga tavaliselt suuri pöördpingeid blokeerida ja on sageli ühendatud antiparalleeldioodiga. Lisaks iseloomustavad lukustustüristoreid märkimisväärsed päripinge langused. Lukustustüristori väljalülitamiseks on vaja sulgemiselektroodi ahelasse rakendada võimas negatiivse voolu impulss (ligikaudu 1: 5 konstantse väljalülitusvoolu väärtuse suhtes), kuid lühikese kestusega (10- 100 μs).

Lukustustüristoritel on ka madalamad väljalülituspinged ja voolud (umbes 20-30%) kui tavalistel türistoritel.

Türistorite peamised tüübid

Välja arvatud lukustustüristorid, on välja töötatud lai valik erinevat tüüpi türistoreid, mis erinevad kiiruse, juhtimisprotsesside, juhtivusolekus olevate voolude suuna jms poolest.Nende hulgas tuleks märkida järgmisi tüüpe:

• türistordiood, mis on samaväärne antiparalleelselt ühendatud dioodiga türistoriga (joonis 6.12, a);

• dioodtüristor (dünistor), teatud pingetaseme ületamisel lülitumine juhtivasse olekusse, rakendatakse A ja C vahel (joonis 6, b);

• lukustustüristor (joonis 6.12, c);

• sümmeetriline türistor või triak, mis võrdub kahe antiparalleelselt ühendatud türistoriga (joon. 6.12, d);

• kiire invertertüristor (väljalülitusaeg 5-50 μs);

• väljatüristor, mis põhineb näiteks MOS-transistori ja türistori kombinatsioonil;

• valgusvooga juhitav optiline türistor.

Riis. 6. Türistorite tavapärane graafiline tähistus: a) — türistordiood; b) — dioodtüristor (dünistor); c) — lukustustüristor; d) - triak

Türistori kaitse

Türistorid on kriitilise tähtsusega seadmed pärivoolu diA / dt tõusu ja pingelanguse duAC / dt jaoks. Türistoreid, nagu dioode, iseloomustab tagurpidi taastumisvoolu nähtus, mille järsk langus nullini suurendab kõrge duAC / dt väärtusega liigpingete võimalust. Sellised liigpinged on tingitud voolu äkilisest katkemisest ahela induktiivelementides, sealhulgas väikesed induktiivsused paigaldus. Seetõttu kasutatakse türistorite kaitsmiseks tavaliselt erinevaid CFTCP-skeeme, mis dünaamilistes režiimides pakuvad kaitset diA / dt ja duAC / dt vastuvõetamatute väärtuste eest.

Enamasti on kaasasoleva türistori ahelasse kuuluvate pingeallikate sisemine induktiivtakistus piisav, et ei tekiks täiendavat induktiivsust LS.Seetõttu on praktikas sageli vajadus CFT-de järele, mis vähendavad väljalülituslainete taset ja kiirust (joonis 7).

Riis. 7. Tüüpiline türistori kaitseahel

Tavaliselt kasutatakse selleks türistoriga paralleelselt ühendatud RC-ahelaid. RC-ahelate ahelate modifikatsioone ja nende parameetrite arvutamise meetodeid on erinevaid türistorite erinevate kasutustingimuste jaoks.

Lukustustüristoride puhul kasutatakse ahelaid lülitustee moodustamiseks, mis on vooluahelalt sarnane CFTT-transistoridele.