Thyristors

Thyristors zijn een brede classificatie van bipolaire geleidende halfgeleiderinrichtingen met vier (of meer) afwisselende NPN-lagen. Thyristors omvatten:siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR), TRIAC, gate-uitschakelschakelaar (GTO), siliciumgestuurde schakelaar (SCS), AC-diode (DIAC), unijunction-transistor (UJT), programmeerbare unijunction-transistor (PUT). Alleen de SCR wordt in deze paragraaf onderzocht; hoewel de GTO wordt genoemd.

Shockley stelde in 1950 de vierlaagse diodethyristor voor. Die werd pas jaren later bij General Electric gerealiseerd. Er zijn nu SCR's beschikbaar voor vermogensniveaus van watt tot megawatt. De kleinste apparaten, verpakt als transistors met een klein signaal, schakelen honderden milliampères bij bijna 100 VAC. De grootste verpakte apparaten hebben een diameter van 172 mm en schakelen 5600 ampère bij 10.000 VAC. De SCR's met het hoogste vermogen kunnen bestaan ​​uit een hele halfgeleiderwafel met een diameter van enkele inches (100 mm).

Silicium Controlled Rectifier (SCR)

Siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR):(a) dopingprofiel, (b) BJT-equivalent circuit.

De siliciumgestuurde gelijkrichter is een vierlaagse diode met een poortverbinding zoals in figuur hierboven (a). Wanneer ingeschakeld, geleidt het als een diode, voor één stroomsterkte. Als het niet wordt geactiveerd, is het niet-geleidend. De werking wordt uitgelegd in termen van het samengestelde aangesloten transistorequivalent in figuur hierboven (b). Een positief triggersignaal wordt toegepast tussen de poort- en kathode-aansluitingen. Hierdoor gaat de NPN-equivalente transistor geleiden. De collector van de geleidende NPN-transistor trekt laag, waardoor de PNP-basis naar zijn collectorspanning wordt verplaatst, waardoor de PNP gaat geleiden. De collector van de geleidende PNP trekt hoog en beweegt de NPN-basis in de richting van zijn collector. Deze positieve feedback (regeneratie) versterkt de reeds geleidende toestand van de NPN. Bovendien zal de NPN nu ook geleiden als er geen poortsignaal is. Als een SCR eenmaal geleidt, gaat deze door zolang er een positieve anodespanning aanwezig is. Voor de getoonde DC-batterij is dit voor altijd. SCR's worden echter meestal gebruikt met een wisselstroom of pulserende DC-voeding. Geleiding stopt met het verstrijken van de positieve helft van de sinusgolf aan de anode. Bovendien zijn de meeste praktische SCR-circuits afhankelijk van de AC-cyclus die naar nul gaat om af te sluiten of te commuteren de SCR.

Onderstaande afbeelding (a) toont het dopingprofiel van een SCR. Merk op dat de kathode, die overeenkomt met een equivalente emitter van een NPN-transistor, zwaar gedoteerd is, zoals N+ aangeeft. De anode is ook zwaar gedoteerd (P+). Het is de equivalente emitter van een PNP-transistor. De twee middelste lagen, die overeenkomen met basis- en collectorgebieden van de equivalente transistors, zijn minder zwaar gedoteerd:N- en P. Dit profiel in SCR's met hoog vermogen kan worden verspreid over een hele halfgeleiderwafel met een aanzienlijke diameter.

Thyristors:(a) dwarsdoorsnede, (b) siliciumgestuurde gelijkrichter (SCR) symbool, (c) gate turn-off thyristor (GTO) symbool.

De schematische symbolen voor een SCR en GTO zijn weergegeven in bovenstaande figuren (b &c). Het basisdiodesymbool geeft aan dat de geleiding van kathode naar anode unidirectioneel is, zoals een diode. De toevoeging van een poortdraad geeft aan dat de diodegeleiding wordt geregeld. De Gate Turn Off-schakelaar (GTO) heeft bidirectionele pijlen rond de gate-draad, wat aangeeft dat de geleiding kan worden uitgeschakeld door een negatieve puls en ook kan worden gestart door een positieve puls.

Naast de alomtegenwoordige op silicium gebaseerde SCR's, zijn er experimentele siliciumcarbide-apparaten geproduceerd. Siliciumcarbide (SiC) werkt bij hogere temperaturen en geleidt warmte beter dan welk ander metaal dan ook, na diamant. Dit zou apparaten met een fysiek kleiner of hoger vermogen mogelijk moeten maken.

BEOORDELING:

• SCR's zijn het meest voorkomende lid van de thyristor-familie met vier lagen diodes.
• Een positieve puls die op de poort van een SCR wordt toegepast, zet deze in geleiding. De geleiding gaat door, zelfs als de poortpuls wordt verwijderd. De geleiding stopt pas als de spanning van anode naar kathode tot nul daalt.
• SCR's worden het meest gebruikt met een AC-voeding (of pulserende DC) vanwege de continue geleiding.
• Een poortschakelaar (GTO) kan worden uitgeschakeld door een negatieve puls op de poort te geven.
• SCR's switch megawatt vermogen, tot 5600 A en 10.000 V.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Thyristors-werkblad