Tyristori


Tyristori on diodia muistuttava komponentti, jonka läpi virta voi kulkea vain yhteen suuntaan, mutta lisäksi sen syttymishetki voidaan määrätä hilavirtapulssilla. Kyseessä on siis eräänlainen ohjattava diodi. [1] Tyristorilla on kolme terminaalia: anodi (A), katodi (K) ja hila (G). Alla on esitetty erilaisia piirrosmerkkejä tyristorille.

Tyristori_Piirros1.JPG

Tyristori_Piirros3.JPG
Tyristori_Piirros2.JPG

Toiminta


Tyristoria ohjataan hilalle tuotavalla, hilalta katodille kulkevalla virtapulssilla. Mikäli anodin ja katodin välinen jännite on positiivinen, ja hilalle tuodaan sytytyspulssi, niin tyristori syttyy, eli sen läpi alkaa kulkea virtaa anodilta katodille. Tyristori sammuu, eli virran kulku loppuu, kun anodivirta laskee hetkeksi nollaan. [1]

Tyristorilla voi olla kolme toimintatilaa: estosuuntainen estotila, myötäsuuntainen estotila ja myötäsuuntainen johtotila, mikä tekee mahdolliseksi käyttää tyristoria ohjattuna sähköventtiilinä. [2] Tyristorin toimintaa havainnollistaa kuvan 1 ominaiskäyrä.


Tyristori_kuvaaja.JPG





















Kuva 1: Tyristorin ominaiskäyrä.


Välillä 0-1 tyristori on myötäsuuntaisessa estotilassa. Kohdassa 1 tyristori sytytetään hilavirralla IG ja välillä 1-2 tyristori siirtyy johtavaan tilaan. Johtavassa tilassa tyristorin yli jää pieni jännite VH, joka riippuu virran suuruudesta IH. Välillä 0-4 tyristori on estosuuntaisessa estotilassa ja kohdassa 4 estosuuntainen jännite aiheuttaa läpilyönnin, jolloin tyristori toimii estosuuntaisella läpilyöntialueelle. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että komponentti tuhoutuu.

Teoriassa hilapulssin kestoksi riittää tyristorin syttymiseen kuluva aika, eli muutama mikrosekunti, mutta käytännössä pulssit ovat kestoltaan yleensä 10...100 µs komponentista riippuen. [1]

Tyristorin fyysinen rakenne


Tyristori koostuu neljästä puolijohdekerroksesta, eli kolmesta PN-liitoksesta. Tyristorin puolijohderakenne on esitetty kuvassa 2, jossa kummatkin rakenteet ovat keskenään samanlaiset, vaikkakin hieman eri tavalla esitettynä.
Tyristori_PNPN6.JPG

Kuva 2 : Tyristorin periaatteellinen puolijohderakenne kahdella eri tavalla esitettynä.

Kuten kuvasta 2 voidaan havaita, muodostaa tyristorin rakenne piirin, jossa PNP- ja NPN-tyyppinen transistori on kytkeytyneenä toisiinsa.

Tyristori_PNPN7.JPG

Kuva 3: Tyristorin puolijohderakenne PNP- ja NPN-transistoreiden avulla esitettynä.

Kuvassa 4 on esitetty tyristorin anodi-katodi -jännite ja terminaalien virtojen kulkusuunnat.



Tyristori_PNPN1.JPG
Kuva 4: Tyristorin anodi-katodi -jännite ja terminaalien virrat.

Tyristorin läpileikkaus sirutasolla on esitetty kuvassa 5. Efektiivinen transistori Q1 muodostuu n, p, ja n alueista, ja Q2 muodostuu p, n ja p alueista. Komponentti pystyy olemaan estosuunnassa sekä positiivisella, että negatiivisella anodi-katodi -jännitteellä, mikä jo tyristorin ominaiskäyrästäkin voitiin todeta. Riippuen jännitteen polariteetista, yksi pn-liitos on tällöin estosuuntaan biasoitunut. Kummassakin tapauksessa tyhjennysalue muodostuu kevyesti doupattuun n-alueeseen. Jännitteenkestoihin voidaan vaikuttaa suunnittelemalla n-alueen paksuus ja douppauskonsentraatio sopiviksi.

Tyristori voi siis siirtyä johtavaan tilaan, kun anodi-katodi -jännite on positiivinen. Tällöin positiivinen hilavirta IG avaa transistorin Q1. Tämä taas muodostaa kantavirran transistorille Q2, jolloin se myös aukeaa. Efektiivinen liitos Q1:n kannan ja Q2:n kollektorin välillä muodostavat positiivisen takaisinkytkentälenkin. Kun kahden transistorin virtavahvistus on suurempi kuin 1, transistorien virrat kasvavat tällöin regeneratiivisesti. Kyseessä on siis niin sanottu latch up -ilmiö, eli tyristoria ei voida sammuttaa muuten kuin negatiivisella anodivirralla tai negatiivisella anodi-katodi jännitteellä. Johtavassa tilassa anodin virta rajoitetaan ulkoisella piirillä.

Myötäsuuntaisessa johtotilassa anodin ja katodin välillä tapahtuu vain hyvin pieni jännitteen lasku, minkä takia. tyristori voidaan ajatella myötäsuuntaan biasoituna diodina, johon on liitetty sarjaan hyvin pieni vastus. [3]


Tyristori_PNPN8.JPG















Kuva 5: Tyristorirakenteen läpileikkaus sirutasolla.

Kuva oikeasta tyristorista


IMG_1987-1_wikikuva_tyristori.jpg














Kuva 6: Tyristori mallia MCR106-3 [4]

Sovelluskohteet


Teollisuuden tasavirtamoottorikäyttöjen tasasuuntaajat, säädettävät loistehokompensaattorit, tasasähkölinkit,
valonhimmentimet, sähkölämmittimet.




1. Tuusa & Jussila, TEL-1010 Tehoelektroniikan perusteet luentomonisteet, 2007
2. Aura & Tonteri, Teoreettinen sähkötekniikka ja sähkökoneiden perusteet, 3. uudistettu painos, 2000, WSOY
3. Erickson, Robert W., Fundamentals of Power Electronics, Second Edition, 2001
4. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/4633/MOTOROLA/MCR106-3.html,
viitattu 22.01.2010