En tyristor er en elektronisk switch halvleder i fast tilstand bestående af fire lag af skiftevis doteret N og P. Dette er en af de væsentlige komponenter i effektelektronikken . Det tager sit navn fra den græske thura, der betyder gate og fra suffikset "istor", der kommer fra ordet transistor . Det opfører sig som en synkron rocker , dvs. den forbliver styret på tænding ved aftrækkeren (g), men ikke på udslettelse som er forårsaget af passagen af hovedstrømmen I ak til en værdi under den falder strømmen H .
De første kommercielle tyristorer kom ud i 1956. Deres evne til at styre en stor mængde af strøm og spænding forbundet med stor kompakthed satte dem i stand til at finde mange anvendelsesområder i effektelektronik:. De er således anvendes i konvertere statisk såsom lysdæmpere , styrede ensrettere , invertere , til styring elektromotorer , enten i industrien, jernbane , flyelektronik eller biler , for HVDC elledninger , etc. De er især velegnede, når effekten er høj, men frekvensen er lav.
Konventionelle tyristorer bruger nulkrydsningen af strømmen til at åbne, hvilket gør dem ubrugelige alene til jævnstrømskontrol . Strukturelle ændringer gør det muligt at åbne tyristorer takket være udløsersignalet, for eksempel i tilfælde af GTO'er . Desuden er lednings- / blokeringsregimet for tyristorer alt eller intet , de er ikke egnede til produktion af analoge forstærkere .
Tyristoren kaldes undertiden SCR ( Silicon Controlled Rectifier eller "kontrolleret silicium ensretter")
Thyristoren er en tre-terminal halvlederelektronisk komponent, der består af fire lag silicium skiftevis doteret med acceptorer (P) og donorer (N). Den PNPN lagdelte struktur af tyristoren kan modelleres af to PNP- og NPN- transistorer forbundet i henhold til nedenstående diagram. De to hovedterminaler: anoden og katoden er placeret på hver side af de fire lag. Den tredje terminal, kaldet udløseren, bruges til at styre tyristoren. Det er forbundet med P-laget nær katoden. Vi kan modellere driften af en tyristor af to bipolære transistorer forbundet for at danne en flip-flop:
Ved at følge modtagerkonventionen kan vi definere:
En tyristor har tre mulige tilstande:
En tyristor har tre PN-kryds , der hedder J 1 , J 2 , J 3 fra anoden (se ovenfor). Når V ak er positiv (positiv anode i forhold til katoden), men ingen strøm trænger igennem aftrækkeren, er krydsene J 1 og J 3 positivt forspændte (positiv spænding på P i forhold til N), mens J 2 er negativt polariseret (positiv spænding på N i forhold til P). J 2 forhindrer derfor ledning.
Karakteristisk IV af en tyristor er vist modsat:
Hvis spændingen V ak overstiger værdien af udgangs spænding (4 på den karakteristiske), derefter krydset J 2 begynder at lede, tyristoren også (6 på den karakteristiske).
Hvis V gk er positiv, så værdien af udgangs spændingen aftager: V ak skal være lavere for tyristoren til optræden. Ved at vælge I gk med omtanke kan tyristoren let udløses.
Når lavineeffekten har fundet sted, fortsætter tyristoren med at køre uanset udløserstrømværdien indtil enten:
V gk kan derfor leveres i en pulseret måde, for eksempel i kraft af udgangsspændingen fra en relaksationsoscillator af unijunction transistor typen .
Når tyristoren er i et sinusformet vekselstrømssystem , hvilket generelt er tilfældet, er det sædvanligt at definere forsinkelsen t 0 mellem det øjeblik, hvor V ak bliver positiv og starten på udløserpulsen, ved en vinkel kaldet “vinkel forsinkelse ved start (eller åbning) ”og bemærkes α, således at α = ω × t 0 .
Udløseren er karakteriseret ved sin startspænding, betegnet V gk , og dens startstrøm , betegnet I gk ; styrekredsløbet skal være således, at generatorens belastningsledning placeres i den sikre startdel af spændings- / strømkarakteristikken for udløser-katodeforbindelsen. Varigheden af pulsen afhænger af naturen af belastningen, i tilfælde af induktiv belastning impuls bør have en varighed større end tiden, der kræves til den aktuelle I ak overstiger værdien af den holdestrømmen I H . Den samlede tyristors affyringstid (affyringsforsinkelse plus affyringstid) afhænger af portstrømens amplitude, jo højere denne strøm er, jo kortere tid og omvendt.
Hvis du vil blokere tyristoren, mens den allerede er i ledende tilstand, skal der bruges et eksternt kredsløb. Den første mulighed er at anvende en negativ spænding på dets terminaler, dette kaldes linjeskift (f.eks. Det elektriske vekselstrømsnetværk ) eller naturlig skift. Den anden består i at aktivere en anden tyristor, som derefter tillader udledning af en kondensator gennem katoden på den første tyristor. Dette kaldes tvungen skift.
Efter at strømmen er gået ud, har en tyristor brug for en hviletid, før den genvinder sin blokerende kraft. Vi taler om blokering eller deaktivering af tid noteret t q . Dens størrelsesorden varierer afhængigt af typerne af tyristorer (konventionelt fra 10 til 100 µs ). Hvis der tilføres en positiv spænding til dens terminaler inden afslutningen af denne forsinkelse, er opladningsbærerne ( huller og elektroner ) endnu ikke alle rekombineret, og tyristoren genstarter uden en triggerpuls. Dette kaldes en kommuteringsfejl.
Således, hvis frekvensen er høj, er en lav hviletid nødvendig. Hurtige tyristorer kan realiseres ved diffusion af tungmetalioner, såsom guld eller platin , hvilket gør siliciumrekombinationen kortere. I 2014 blev andre løsninger foretrukket: enten bestråles silicium af elektroner eller protoner eller ved implantering af ioner. Bestråling er mere alsidig end tungmetaldoping, da doseringen kan justeres ved små hånd, selv i slutningen af fremstillingen.
Thyristor kan også tænde uventet, hvis:
For at begrænse spændingsstigningen kan der monteres et spjældkredsløb mellem anoden og tyristorkatoden. Det kan være et simpelt RC-kredsløb .
Endelig indstiller thyristorproducenter typisk en spændings-, strøm- og temperaturinterval til nominel drift. Udløserens maksimale effekt skal også tages i betragtning. Den nuværende jeg ak må ikke etableres for hurtigt (di / dt) under straf for at producere for meget lokal opvarmning af den komponent, som kan føre til dens ødelæggelse.
Den Silicon Controlled ensretter (SCR), senere omdøbt thyristor, blev forestillet af William Shockley i 1950, ideen derefter modnet takket være det arbejde, Bell Labs og Moll i særdeleshed. Endelig blev det bygget i 1956 af ingeniører fra General Electric ledet af Gordon Hall. Det markedsføres endelig af Frank W. "Bill" Gutzwiller, en ansat hos GE.
Et tidligere gasrør , kaldet en thyratron , havde elektroniske egenskaber svarende til tyristoren. En lav kontrolspænding, der gør det muligt at skifte en stor strøm. Blandingen af ordene " thyratron " og "transistor" giver udtrykket "thyristor", som erstattede omkring 1965 akronymet SCR brugt af General Electric. Selve ordet thyratron består af præfikset “thyr-”, der kommer fra det græske thura, der betyder dør, og suffikset tron betyder instrument.
En tyristor med omvendt ledning har en integreret diode monteret hoved-til-hale i forhold til tyristoren. Dette sparer en frihjulsdiode i nogle kredsløb. Derudover kører de to elementer aldrig samtidigt, et fælles kølesystem kan bruges. De bruges ofte i omformere og frekvensskiftere.
De optisk initierede tyristorer ( lysudløst tyristor ) bruger lys i stedet for strømmen til at aktivere udløseren. Sidstnævnte placeres derefter i midten af tyristoren. Lysstrålen, generelt infrarød , transmitteres gennem en optisk fiber. Denne løsning bruges i applikationer med meget høj spænding, typisk HVDC'er, for ikke at skulle placere udløserelektronikken på tyristorenes potentiale.
Den siliciumcarbid (SiC) er et materiale, som kan erstatte silicium i konstruktionen af tyristorer. Det har den fordel at modstå omgivende temperaturer på op til 350 ° C . Deres anvendelse er relativt nylig.
En tyristor kan kun føre i en retning, i tilfælde af tovejsbrug er det nødvendigt at anvende enten to tyristorer monteret hoved mod hale eller til en Triac eller i visse tilfælde til en diode monteret i anti-parallel eller en omvendt ledningstyristor.
Thyristorer konkurrerer med GTO'er, IGCT'er og IGBT'er inden for kraftelektronik . Alle disse andre komponenter har fordelen ved at være i stand til at kontrollere deres åbning. De tilbyder også muligheden for at arbejde med en højere frekvens. På den anden side er tyristoren den komponent, der har mindst tab.
Thyristorer bruges hovedsageligt når spænding, strøm eller begge er høje. De gør det derefter muligt at justere amplituden på strømmen, der påføres en belastning. Deres åbning skyldes generelt den nuværende krydsning nul: ved at skifte via linjen. Afhængigt af applikationerne kan justeringen foretages ved at variere forsinkelsesvinklen ved åbningen som i den modsatte animation (justering af fasevinklen) eller med helbølgetog som i nogle dæmpere .
Tyristorer eller Triacs , det vil sige to tyristorer monteret hoved mod hale, med lav effekt, bruges til at kontrollere omdrejningshastigheden for universalmotorer til husholdningsapparater. De kan også bruges til at filtrere lyset især på biografer, hvor de har udskiftet autotransformatorer og reostater . De bruges også i kamerablitz. I slutningen af 1970'erne blev de brugt, også i form af Triacs, i strømforsyningen til fjernsyn for at stabilisere den direkte spænding, der blev leveret til kredsløbet. Afhængig af den tilførte vekselstrøm tilpasses tyristorenes forsinkelsesvinkel for at kompensere for udsving. Senere blev de erstattet af bipolære transistorer og MOSFET'er .
Kombineret med en Zener-diode kan de bruges til at beskytte digitale kredsløb mod overspændinger. I normal drift er begge elementer blokeret. Hvis spændingen bliver større end Zener-spændingen, bliver tyristoren ledende og forårsager en kortslutning, der sprænger sikringen, der beskytter strømforsyningen. Fordelen ved denne enhed over en simpel switch er, at den tillader afladninger og overspænding at blive afladet til jorden.
Thyristorer bruges i vid udstrækning i industrien, når effekten overstiger ca. 2 kW . De tjener ofte som ensrettere . De bruges til at styre asynkrone egernbur elektriske motorer i drejningsmoment og dermed til at begrænse startstrømme. Til jævnstrømsmotorer bruges tyristorer til at kontrollere hastigheden ved at justere ensretterens udgangsspænding.
I tilfælde af et ensretter / inverter kredsløb, der tillader frekvensen at blive ændret, bruges tyristorer til at justere den direkte spænding mellem de to elementer.
For frekvensområdet, der går fra et par tusind Hz til et par snesevis af kHz, hvor tyristorer tidligere blev brugt, siden 2000'erne , er IGBT'er, der er mere egnede til disse applikationer, blevet brugt i stedet .
Tre-faset Graetz-bro baseret på tyristorer monteret som ensretter.
Spænding og strøm, der forlader Graetz-broen, med tyristorforsinkelsesvinklen lig med nul.
Spænding og strøm, der forlader Graetz-broen, med tyristorforsinkelsesvinklen lig med 20 °.
Spænding og strøm, der forlader Graetz-broen, med tyristorforsinkelsesvinklen lig med 40 °.
Tyristorer med både en høj tilladt permanent strøm og en høj blokeringsspænding, de er velegnede til applikationer, der involverer store elektriske kræfter. De elektriske ledninger til DC (HVDC) træffe særlig fordel af disse egenskaber til at ensrette vekselstrømmen på den ene side og vinke den anden. Dette felt bruger elektrisk initierede tyristorer (ETT), men også optisk initierede transistorer (LTT), hvor sidstnævnte gør det muligt at have kontrolelektronikken og tyristorerne ved forskellige potentialer, men deres fremstilling og design er generelt mere kompleks. For HVDC'er er tyristorer arrangeret som ventiler, det vil sige afbrydere. Hver består af mange tyristorer i serie og parallelt: i serie for at øge spændingen, parallelt for strømmen. Ventilerne er normalt ophængt fra loftet for at isolere dem elektrisk fra jorden. For at evakuere deres tab afkøles tyristorer med deioniseret vand.
De FAKTA , som tjener til at stabilisere og optimere elnet, og har et tæt udformning af HVDC også bruge thyristorer.
Til styring af elektriske motorer med stor effekt såvel som middel effekt anvendes tyristorer. Så de første ICE'er brugte dem, men i de nye erstattede GTO og IGCT dem.
Thyristor-ensrettere kan også bruges til elektrolyse af aluminium eller klor .